近期，固体所尹利华副研究员及史同飞副研究员等与中国科学技术大学、韩国首尔国立大学科研人员合作，在钙钛矿结构DyCrO3单晶的多铁性及磁电效应研究方面取得新进展。研究人员在DyCrO3单晶中观测到了量子顺电效应，相关成果在《物理评论B》 (Physical Review B 98, 054301 (2018)) 上发表。
多铁性磁电材料由于磁性与铁电性之间强的耦合作用使其在信息存储、传感器等领域有着潜在的应用前景。然而，由于材料的铁电性与磁性之间的“互斥性”，因而在单相材料中同时实现强磁性、强铁电性及强磁电耦合效应仍然是一个挑战，这是因为在过渡金属氧化物中，铁电性要求过渡金属离子具有空的d轨道(即，所谓的d0规则)，而磁性则要求其d轨道为未完全占满，所以磁性材料很难同时表现出铁电性。迄今，寻找突破这个d0规则的理论基础和实验结果是人们一直努力的方向。最近有理论计算及实验结果表明，具有钙钛矿结构的AMnO3 (A=Ba、Sr、Ca)材料能够实现磁性和铁电性共存，其磁性和铁电性均起源于其具有特殊的d3电子构型的Mn4+离子。另一方面，理论计算亦表明具有相同d3电子构型(Cr3+离子)的RCrO3(R=La等)也具有铁电性的倾向，但尚未有实验方面的报道。
为此，固体所科研人员制备了一系列具有简单钙钛矿结构的RCrO3(R=La、Tb、Dy、Er等)单晶样品，系统研究了其铁电、磁性、磁电效应等物性。研究发现，与R=La、Tb、Er等单晶不同，DyCrO3单晶表现出量子顺电体所具有的两个典型特征。特征之一是其c轴方向的介电常数在其反铁磁有序温度TN以下随着温度的降低而逐渐变大，在35 K以下趋于饱和(如图1所示)。其c轴介电常数随温度的变化可以很好地用Barrett方程描述。特征之二是其软模频率在低温下趋于一个非零的常数。
在量子顺电体中，由于量子涨落(来源于量子效应中的零点振动)的影响，其电偶极子之间的长程相互作用被抑制，使其长程铁电有序直到绝对零度(即，0 K)亦未能形成。SrTiO3、KTaO3以及CaTiO3便是其中典型的量子顺电体。上述结果表明，DyCrO3在低温下存在电偶极矩，但由于量子涨落的影响，这些电偶极矩并未形成长程的铁电序。
与理论预测结果相一致，进一步的拉曼散射谱及X射线近边吸收结构谱(XAENS)等实验结果表明，DyCrO3中的电偶极子与Cr3+(d3)离子偏离中心对称位置的位移密切相关(如图2所示)。变温X射线衍射实验结果表明其晶胞体积的收缩速率在低温下有所减小；而该异常行为很可能是其异于其它RCrO3体系而表现出量子顺电行为的重要原因。
钙钛矿结构DyCrO3中量子顺电行为的发现，为进一步寻求突破铁电性中所谓的d0规则，实现由于磁性过渡金属离子(具有非d0电子构型)位移引起的电偶极矩，提供了重要的实验支持；该发现也将为在更广泛的材料，尤其是磁性钙钛矿材料中，探索强磁电效应及多铁性，提供了重要的参考。
该工作得到国家自然科学基金，中国科学院前沿科学重点研究项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.054301
图1. DyCrO3单晶c轴方向介电常数随温度的变化及其根据Barrett方程的拟合结果
图2. DyCrO3在不同温度下X射线近边吸收结构谱的(a)实验及(b)(c)相应理论计算结果
