磁電里的乾坤 開拓中的征程——記中科院物理所孫陽研究員

本刊記者 王 翩

從事著一份熱點(diǎn)交叉學(xué)科的科研工作，開拓著一片新興的前沿科研領(lǐng)域，建立著一支逐漸強(qiáng)大的研究團(tuán)隊(duì)，再加上一顆探索不息的熱忱之心，這就是海歸研究員孫陽回國幾年后目前的狀態(tài)。今天，讓我們帶著鼓勵(lì)和期待來走進(jìn)多鐵性材料，來認(rèn)識磁電里的乾坤；走進(jìn)孫陽研究員，來了解這開拓中的征程。

關(guān)注熱點(diǎn)，開拓國內(nèi)磁電耦合效應(yīng)研究

2004年，孫陽完成美國的博士后學(xué)習(xí)后，在中科院物理所所長王恩哥的邀請和鼓勵(lì)下，入選了中科院“引進(jìn)國外杰出人才計(jì)劃”，回到國內(nèi)，加入到磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成為物理所最年輕的研究員之一。回國后，他一方面繼續(xù)從事原來的研究方向，同時(shí)也在積極探尋新的研究領(lǐng)域。2004年，日本與美國科學(xué)家在一類鈣鈦礦氧化物中先后發(fā)現(xiàn)了多鐵性與磁電耦合效應(yīng)，引起了國際上廣泛的關(guān)注，孫陽很快意識到這一發(fā)現(xiàn)的重要性，加上在研究生和博士后期間已經(jīng)對鈣鈦礦復(fù)雜氧化物的磁電性質(zhì)有過一定的研究基礎(chǔ)，因此，他決定把未來研究的重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到多鐵性與磁電耦合效應(yīng)這一新興領(lǐng)域。

多鐵性材料是指同時(shí)具有鐵電性、鐵磁性、鐵彈性三種有序現(xiàn)象中的兩者或全部的一類新型材料。其中磁電多鐵性材料是指同時(shí)具有鐵磁性和鐵電性、如果兩種有序不僅共存而且具有較強(qiáng)的磁電相互耦合，就可以實(shí)現(xiàn)用電場來控制材料的磁性質(zhì)以及用磁場來改變材料的電學(xué)性質(zhì)。雖然早在上世紀(jì)60年代，人們就發(fā)現(xiàn)了一些具有磁電耦合效應(yīng)的材料，但是由于耦合系數(shù)非常小，沒有引起太多的關(guān)注。直到2004年前后，在鈣鈦礦錳氧化物中相繼發(fā)現(xiàn)了一系列具有強(qiáng)磁電耦合的新型多鐵性材料，從而掀起了多鐵性材料及磁電耦合效應(yīng)的研究熱潮。短短幾年時(shí)間里，僅在國際頂級科技期刊上發(fā)表的相關(guān)研究論文就有上百篇。在近年的凝聚態(tài)物理和材料領(lǐng)域的重要國際學(xué)術(shù)會(huì)議上都設(shè)有多鐵性材料的專題。美國《Science》雜志在2007年度展望中，把多鐵性與磁電耦合效應(yīng)列為未來最值得關(guān)注的七個(gè)研究領(lǐng)域之一。

“雖然多鐵性與磁電耦合效應(yīng)的研究正成為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的熱點(diǎn)，但是該領(lǐng)域仍然處于起始探索階段。”孫陽這樣告訴記者。首先，從材料研究角度來看，目前已知的多鐵性材料絕大部分都是反鐵磁有序，并且磁有序溫度很低，耦合效應(yīng)較弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求；其次，多鐵性的起源和磁電耦合的物理機(jī)制涉及到多種基本自由度的關(guān)聯(lián)耦合，是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，對于不同的體系，由于晶體結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)、離子價(jià)態(tài)等的不同，其多鐵性的起源和磁電耦合機(jī)制可能完全不同；同時(shí)，磁電耦合導(dǎo)致的新的物理效應(yīng)還有待于去認(rèn)識和發(fā)現(xiàn)。因此，該領(lǐng)域無論是在新材料探索還是物理研究方面都有著巨大的發(fā)展空間。

奮發(fā)拼搏，譜寫多鐵性材料研究新篇章

根據(jù)鐵電性起源的不同，多鐵性材料可以分為不同的種類。研究伊始，孫陽選擇了電荷有序?qū)е碌亩噼F性體系。很快，他和其他成員在電荷有序多鐵性材料的研究取得了一系列進(jìn)展。首先，他們重點(diǎn)研究了電荷有序的RFe2O4化合物，發(fā)現(xiàn)了巨介電調(diào)諧效應(yīng)、巨電致電阻效應(yīng)、脈沖電場控制磁化強(qiáng)度等新的物理效應(yīng)，并提出了電場驅(qū)動(dòng)磁性馳豫的物理模型。此外，他們首次在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了一個(gè)重要的理論預(yù)言，證明了半摻雜電荷有序錳氧化物中存在多鐵性。這些研究結(jié)果相繼發(fā)表在美國物理學(xué)會(huì)出版的《應(yīng)用物理快報(bào)》、《物理評論》等國際著名期刊上，并多次在國際學(xué)術(shù)會(huì)議上就多鐵性材料的研究做邀請報(bào)告和口頭報(bào)告。2010年12月在韓國舉辦的亞洲磁學(xué)聯(lián)盟國際會(huì)議上做了30分鐘的邀請報(bào)告，2010年9月在國際材料聯(lián)合會(huì)亞洲會(huì)議上做了25分鐘的分會(huì)邀請報(bào)告，2010年11月在美國舉行的第55屆磁學(xué)和磁性材料大會(huì)上做了15分鐘口頭報(bào)告。此外，孫陽還受邀在美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校自然科學(xué)學(xué)院做了1小時(shí)的專題講座(Physics Colloquium)。基于他在電荷有序多鐵性材料與磁電效應(yīng)的研究成績，美國新星科學(xué)出版社邀請其為學(xué)術(shù)專著《Ferroeletrics: New Research》撰寫其中的一章“Electronic Ferroelectricity and Magnetoelectric Effects in Charge Ordered Oxides”。

最近，孫陽等人又在其他新型多鐵性材料的研究中取得了重要進(jìn)展，如發(fā)現(xiàn)了一類具有螺旋磁有序的六角鐵氧體材料，具有高溫下超靈敏的磁電效應(yīng)，只需要施加幾十高斯的磁場就能控制電極化強(qiáng)度的大小和方向。其磁電耦合系數(shù)是目前已知單相材料中最高的之一。另外，他們最新的研究工作表明在一些有機(jī)材料中也存在著多鐵性與磁電耦合效應(yīng)。

放眼未來，會(huì)當(dāng)激起千層浪

2010年初，在磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任沈保根院士的支持下，孫陽研究員成立了一個(gè)全新的研究組，專注于多鐵性與磁電耦合效應(yīng)的研究。目前，研究組已經(jīng)從國外引進(jìn)了兩名青年科研骨干，今后繼續(xù)通過引進(jìn)國外優(yōu)秀的青年人才，圍繞新材料探索、物理效應(yīng)研究、實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展三方面展開研究，有望在國內(nèi)多鐵性領(lǐng)域打造一個(gè)具有特色的研究團(tuán)隊(duì)，并期待形成一定的國際影響力。

孫陽研究員介紹說，目前已知的多鐵性材料主要是一些過渡金屬氧化物，未來他們將探索非氧化物的多鐵性材料，如硫化物，氮化物，甚至有機(jī)多鐵性材料，目標(biāo)為發(fā)現(xiàn)幾種新型多鐵性體系，使多鐵性有序溫度能夠接近或達(dá)到室溫，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耦合性能，并在發(fā)現(xiàn)新材料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一些新型磁電功能器件。

多鐵性材料為基礎(chǔ)物理研究提供了豐富的素材。孫陽等人將研究不同多鐵性體系中磁電耦合的物理機(jī)制，包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的磁電耦合、磁電耦合下新的物理效應(yīng)和物理規(guī)律。他們將利用中子散射技術(shù)研究多鐵性材料中復(fù)雜的磁結(jié)構(gòu)和自旋關(guān)聯(lián)，通過與理論研究組合作，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出有效的磁電耦合微觀物理模型。

由于磁電耦合效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測量需要克服許多技術(shù)難題，目前還沒有商業(yè)化的實(shí)驗(yàn)儀器來直接用于測量磁電耦合效應(yīng)。因此，對磁電耦合效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究必須通過自主研制測量儀器來實(shí)現(xiàn)。目前，孫陽等人正在自主研制建設(shè)一套多功能磁電耦合效應(yīng)測量系統(tǒng)，可以進(jìn)行寬溫區(qū)、寬頻域、強(qiáng)磁場下的各種磁電耦合效應(yīng)的測量。

盡管在他一直謙虛地說自己還沒有做出什么突出的成績，但筆者認(rèn)為，既然孫陽研究員鎖定了多鐵性材料以及磁電耦合效應(yīng)這一研究方向，又充分具備了科研條件和人才優(yōu)勢，再加上不懈的努力、辛勤的耕耘，假以時(shí)日，必將在科研領(lǐng)域結(jié)出累累的碩果。