Y. Tokura是个很Nice的日本学者,说他nice是基于笔者和他的一次email来往,他的回复让我感到他的专业和贴心。Tokura主要集中介绍日本人在多铁领域的贡献,这也难怪,在多铁界,目前至少有1/3的领导性的工作来自日本,这些年他们不仅在材料上接连有新的发现,而且在理论上发现了一类新型磁电耦合机制--
非共线磁性有序导致铁电有序,而Tokura正是当今日本多铁理论界的代表人物,参考图1-1-3。Tokura首先综述了典型的单相多铁的耦合机制和对应的代表材料:
1)、Bi3+,Pb2+在A-site的钙钛矿结构由于独特的孤对电子结构导致多铁性,比如BiFeO3, BiMnO3, BiCoO3等;
2)、三色超晶格tricolor superlattice,比如LaMnO3/SrMnO3/LaAlO3等;
3)、电荷有序的磁性化合物charge-ordering magnetic compounds,如LuFe2O4;
4)、自旋-自旋相互作用诱发的多铁性,DM multiferroic或spin-current multiferroic,如TbMnO3, Y-ferrite等
//////笔者插入语:这里所列我不认为是全部多铁耦合机制,实际上还有"多铁体中的罗息盐"类型的含卤硼酸盐多铁体,如Ni3B7O13I,尽管它们多铁机制非常复杂而且效应并不明显,但他们在证实多铁体确实存在的角度上功不可没;还有铁电体中掺入磁性离子的多铁体,如(1-x)PbFe2/3W1/3O3-xPbMg1/2W1/2O3、PbFe1/2Nb1/2O3等,尽管它们因为磁性离子稀释效应导致弱铁磁性转变温度极低,但也有不少人在这条思路上非常热衷;还有其他笔者没有想到的,欢迎读者补充!
//////笔者插入语结束图1-1-3 Tokura的讲座开始
然后,他着重讨论第4种多铁性,这种多铁性比较新颖以至于不少朋友(包括我自己)觉得难以理解,在Tokura幻灯片(汇总附后)的指引下,通过一番文献阅读,我现在的认识是这种机制的理解必须建立在以下几个概念的基础之上,参考图1-1-4,与图1-1-5:
1)、DM相互作用Dzyaloshinsky-Moriya interaction。它解释非共线性自旋构型可以导致弱铁磁性,
Dzyaloshinsky 1958年最初的动机是在热力学的框架内借助非共线性图像来解释a-Fe2O3在200K附近的反铁磁-反铁磁磁性相变,而Moriya很快意识到非共线性导致弱铁磁性图像中的微观必然性(
Moriya 1960):各向异性超交换相互作用致使原本共线colinear的自旋构型变成偏离对称anti-symmetry的非共线性non-colinear构型。Moriya同时解决了DM交换能公式D·[S1xS2](x为叉乘,S1,S2为自旋矢量)中D的物理含义。鉴于二位分别作出的的贡献,DM相互作用以这二位姓氏命名。
2)、自旋流spin current。自旋流的概念我也是现学,另一方面迄今我还没有发现让我信服的证明自旋流存在的实验结果让我坚定的接受它,所以在清晰明了的勾画出它的物理图像上我无能为力,有兴趣了解这个概念本身的可以参考
Zhang 2001。这里提到自旋流,是因为它是理解DM弱磁性到磁电极化产生机制的一条捷径,详见紧接着的第3点。
3)、非共线性自旋构型的磁电耦合微观机制,
Katsura 2005对它进行了清晰的揭示--磁电极化的产生来自于非共线性的自旋-自旋相互作用诱发的自旋流产生,至少在磁电耦合几何的定性上符合P~e12xj(x为叉乘,前后均为矢量,j为自旋流),自旋自旋之间的非共线性的产生是由于各向异性自旋轨道耦合,本质上是一种"拓扑量子效应"(Topological Quantum Effects);
图1-1-4 非共线性自旋构形导致的自旋流及磁电极化示意图,注意其中可能有个不影响阅读的小错误--O的p轨道应该是3个,而不是这里示意的4个(
Katsura 2005)
图1-1-5 Tokura讲稿中非共线性导致磁电极化的典型三维图像,
Kagawa, 2009更多Tokura讲稿的细节内容请在本文最后的讲稿汇总中寻找。多铁性的主题讲座contribution lectures、posters(包括我本人的墙展
Lu 2009),还有不少,鉴于篇幅的关系不一一列述。