【儀表網 研發快訊】 (通訊員 常鈺婷)7月18日，《物理評論B》(Physical Review B)在線發表了國家脈沖強磁場科學中心磁學團隊的最新研究成果，論文題為“High-field induced successive metamagnetic transitions and magnetoelectric effect in multiferroic SmMn2O5 single crystals”(多鐵性SmMn2O5單晶中強磁場誘導的連續磁相變和磁電效應)的研究論文。中心博士生李甜為論文第一作者，博士后常鈺婷為論文通訊作者，王俊峰研究員指導了該項工作，博士后王好文、工程師董超、楊明副教授和陸成亮教授共同參與了實驗測量和數據分析工作。
稀土錳氧化物RMn2O5(R為稀土元素、Y或Bi)是一類典型的磁致多鐵材料，具有豐富的關聯物理現象，如強磁電耦合、鐵電極化翻轉、巨磁電容效應及拓撲磁電效應等，在探索多鐵性及其微觀機制方面具有重要研究價值。材料的物性與稀土離子R的磁性及Mn-R、Mn-Mn間復雜的磁交換作用密切相關。該體系通常在ab面內呈準共線反鐵磁序，而SmMn2O5因其獨特的磁結構，即Sm與Mn離子的磁矩沿c軸呈共線反鐵磁排列，為研究各向異性磁電耦合和磁電調控機制提供了獨特平臺。
在本項研究中，研究團隊依托脈沖強磁場設施的磁特性實驗平臺，系統開展了SmMn2O5單晶在不同方向磁場作用下的磁化、磁致伸縮和電極化行為測量。實驗發現，該材料具有高度磁各向異性的磁響應特征：當磁場施加在ab面時，即使在高達60T的磁場下亦未觀察到明顯的磁相變。而當磁場沿c軸方向時，磁化曲線在H1~22.2T、H2~48.5T和H3~55.8T處出現多級磁相變，表現出典型的連續躍遷特征。此外，在溫度高于7K時，材料在更高的臨界場H4處還會發生另一獨立的磁相變。磁致伸縮實驗進一步證實了這些磁相變過程：樣品沿c軸發生多階伸長，揭示其磁結構在強磁場下的演變規律。更為關鍵的是，這些磁相變伴隨著鐵電極化的顯著變化，表明SmMn2O5中存在很強的磁電耦合效應。在特定磁場范圍內，電極化方向相較低磁場下的鐵電相發生明顯反轉，揭示出反鐵磁Mn鏈在磁場作用下的調制在極化翻轉中發揮著關鍵作用。
圖為SmMn2O5的強磁場磁化、磁致伸縮和電極化變化曲線
基于實驗結果，研究團隊繪制了SmMn2O5的磁電相圖，展現出該材料在強磁場作用下高度各向異性的磁電響應行為。進一步，結合材料晶體結構、共線磁結構特征及主要的磁相互作用(包括3d-3d與3d-4f的耦合)，討論了Mn3+-Sm3+和Mn3+-Mn4+自旋對在強磁場作用下出現的不同響應行為，以此構建了描述SmMn2O5磁電耦合機制的物理模型，并揭示交換伸縮機制在不同方向磁場作用下產生強磁電效應的重要貢獻。
該研究揭示了SmMn2O5在強磁場下的復雜磁相變行為及顯著的磁電耦合特性，為理解多鐵材料中的磁電相互作用機制提供了新視角。
該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。
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