近期，穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）用戶中國科學院物理研究所磁學國家重點實驗室孫陽教授研究組與多個團隊合作，首次合成出Mn₂O₃二元鈣鈦礦氧化物，并發現了其中的磁電多鐵性。相關成果以“Spin-induced multiferroicity in the binary perovskite manganite Mn₂O₃”為題發表在Nature Communications 上。

　　具有鈣鈦礦結構的過渡金屬氧化物（ABO₃）表現出非常豐富的物理性質，包括高溫超導、龐磁電阻、電荷有序、軌道有序、金屬-絕緣體相變、鐵電性、多鐵性、巨熱電效應、光電效應、負熱膨脹等。這為凝聚態物理和材料科學的研究提供了一個廣闊的舞臺。在ABO₃鈣鈦礦結構中，具有小半徑高價態的過渡金屬離子往往占據八面體配位的B位，卻很難占據A位。近年來，人們利用高溫高壓極端條件合成手段，可以驅使一些過渡金屬離子部分占據A位，形成一類特殊的亞穩相四重鈣鈦礦氧化物。如果能夠進一步讓剩余的A位由Mn離子占據并保持鈣鈦礦結構，將會形成一種獨特的MnMnO₃二元鈣鈦礦氧化物。

　　孫陽研究組與多個團隊合作，首次合成出Mn₂O₃二元鈣鈦礦氧化物。宏觀磁性測量表明，該體系有兩個磁相變，分別位于T₁=101 K和T₂= 49 K。英國盧瑟福實驗室Dmitry Khalyavin博士等在大量高精度中子粉末衍射實驗中解出了該體系復雜的磁結構。在T₁<T<T₂溫區，其磁結構是一種縱向自旋密度波，具有非極性的空間群；在T<T₁溫區，其磁結構是一種由擺線型和螺旋型組合而成的復雜非共線結構，同時出現了電荷有序和軌道有序。由于非共線螺旋磁結構可以打破空間反演對稱產生電極化，這預示著該體系可能具有自旋誘導的磁電多鐵性。隨后的多功能磁電耦合效應測量（介電，熱釋電，鐵電）表明鈣鈦礦Mn₂O₃在T₂<49K出現了介電異常和宏觀鐵電極化。

　　為了進一步確認二元鈣鈦礦Mn₂O₃中的本征鐵電性，該研究團隊與強磁場中心盛志高課題組合作，依托SHMFF所屬SM1超快磁光測試系統，采用超快極化二次諧波產生(SHG)技術測量了樣品在不同溫度下的極化特性。研究表明在磁轉變溫度T₂以下鈣鈦礦Mn₂O₃具有本征鐵電性。

　　這一合作研究首次在二元鈣鈦礦氧化物中發現了自旋誘導的多鐵性和磁電耦合效應，獲得了二元鈣鈦礦Mn₂O₃的完整磁結構和相圖，為探索基于亞穩相二元鈣鈦礦的新型磁電材料開辟了先河。

　　SM1超快磁光測試系統能完成磁光Kerr、二次諧波產生、THz時域光譜等光學表征。其中強磁場下的超快極化二次諧波產生技術作為一種磁場下無破壞，高靈敏的探測手段，將越來越多地服務于多鐵等材料研究。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-05296-0。

　　二元鈣鈦礦型Mn₂O₃的磁性特征

　　由SHG技術表征出的Mn₂O₃在不同溫度下的極化特征