北京量子院在「低维材料」领域取得新进展

光子盒研究院出品

磁电(ME)耦合通常存在于结合了铁电和磁行为的磁电材料中，其中，电极化可以被磁场操纵，而磁化可以被电场操纵，在自旋电子学、传感和能量收集技术中具有潜在的广泛用途。然而，对于二维(2D)材料或独立的过氧化物薄膜，由于其不稳定性和脆弱性极大地限制了传统方法的探测，这些同时发生的铁磁性探测和控制变得极具挑战性。
因此，鉴于低维材料显著的电子特性、潜在的电子应用和许多其他有待探索的功能，迫切需要发展技术和分析方法，以描述和揭示低维材料中ME的内在机制。
近日，北京量子院低维量子材料团队助理研究员王洁素和合作者在多铁性薄膜磁电耦合效应研究方面取得新进展，为探究低维材料的磁电耦合效应提供了新思路和新方法。

4月20日，研究成果以《利用光学二次谐波研究多铁材料中的磁电耦合》（Magnetoelectric coupling in multiferroics probed by optical second harmonic generation）为题发表在《自然·通讯》上。

磁电(ME)耦合作为一种基本的物理性质，有可能增加设备的功能，同时也能减少能源消耗，但由于其不稳定性和脆弱性，在独立的膜或二维材料中进行探测一直是一个挑战。
此次，实验团队以模型多铁性BFO(BiFeO3)为例，报告了通过WT-SHG和外部磁场探测ME耦合的情况。最终，证明了铁电和反铁磁秩序的系统性演变，作为应用磁场和温度的函数，对于不同的BFO薄膜（特别是对于独立的BFO）。

BFO薄膜的制备和铁电性能表征

宽温范围(RA-)的二次谐波产生(SHG)和与外加磁场(H)的测量

有外加磁场的SHG和M-H测量
最终，实验团队定义了一个光学磁电耦合常数，表示通过磁场控制光诱导的非线性极化的能力，并发现磁电耦合被释放的应变所抑制，反铁磁和铁电秩序也是如此，但对于独立的BFO薄膜来说，对热波动仍然是强大的。
这种光学ME耦合常数在独立的BFO中与在基底上生长的薄膜中保持相同的顺序，表明ME耦合对应变释放的稳健性。独立BFO中强大的ME耦合对热波动的影响表明其在未来有可能应用于多功能设备。
团队表示，“我们相信，所展示的先进的SHG技术与可调谐的外场为研究其他独立的多铁性薄膜或二维材料的磁电耦合和反铁磁秩序铺平了一条独特的道路。”

参考链接：[1]https://www.nature.com/articles/s41467-023-38055-x[2]https://mp.weixin.qq.com/s/yVjEirvgGJrXVhTkuhkBug

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