近期，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF）用戶中國科學(xué)院物理研究所磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫陽教授研究組與多個團(tuán)隊合作，首次合成出Mn₂O₃二元鈣鈦礦氧化物，并發(fā)現(xiàn)了其中的磁電多鐵性。相關(guān)成果以“Spin-induced multiferroicity in the binary perovskite manganite Mn₂O₃”為題發(fā)表在Nature Communications 上。

具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物（ABO₃）表現(xiàn)出非常豐富的物理性質(zhì)，包括高溫超導(dǎo)、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(yīng)、光電效應(yīng)、負(fù)熱膨脹等。這為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的研究提供了一個廣闊的舞臺。在ABO₃鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，具有小半徑高價態(tài)的過渡金屬離子往往占據(jù)八面體配位的B位，卻很難占據(jù)A位。近年來，人們利用高溫高壓極端條件合成手段，可以驅(qū)使一些過渡金屬離子部分占據(jù)A位，形成一類特殊的亞穩(wěn)相四重鈣鈦礦氧化物。如果能夠進(jìn)一步讓剩余的A位由Mn離子占據(jù)并保持鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，將會形成一種獨(dú)特的MnMnO₃二元鈣鈦礦氧化物。

孫陽研究組與多個團(tuán)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(shí)驗(yàn)室Dmitry Khalyavin博士等在大量高精度中子粉末衍射實(shí)驗(yàn)中解出了該體系復(fù)雜的磁結(jié)構(gòu)。在T₁<T<T₂溫區(qū)，其磁結(jié)構(gòu)是一種縱向自旋密度波，具有非極性的空間群；在T<T₁溫區(qū)，其磁結(jié)構(gòu)是一種由擺線型和螺旋型組合而成的復(fù)雜非共線結(jié)構(gòu)，同時出現(xiàn)了電荷有序和軌道有序。由于非共線螺旋磁結(jié)構(gòu)可以打破空間反演對稱產(chǎn)生電極化，這預(yù)示著該體系可能具有自旋誘導(dǎo)的磁電多鐵性。隨后的多功能磁電耦合效應(yīng)測量（介電，熱釋電，鐵電）表明鈣鈦礦Mn₂O₃在T₂<49K出現(xiàn)了介電異常和宏觀鐵電極化。

為了進(jìn)一步確認(rèn)二元鈣鈦礦Mn₂O₃中的本征鐵電性，該研究團(tuán)隊與強(qiáng)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(tǒng)，采用超快極化二次諧波產(chǎn)生(SHG)技術(shù)測量了樣品在不同溫度下的極化特性。研究表明在磁轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)了自旋誘導(dǎo)的多鐵性和磁電耦合效應(yīng)，獲得了二元鈣鈦礦Mn₂O₃的完整磁結(jié)構(gòu)和相圖，為探索基于亞穩(wěn)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(tǒng)能完成磁光Kerr、二次諧波產(chǎn)生、THz時域光譜等光學(xué)表征。其中強(qiáng)磁場下的超快極化二次諧波產(chǎn)生技術(shù)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(wù)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(shù)表征出的Mn₂O₃在不同溫度下的極化特征