鑽石舞台

對稱性破缺是物質科學研究範式的基本要素之一，鐵性(Ferro) 功能材料具有重要且極為廣泛的應用價值，鐵性序主要包括磁有序、鐵電序和鐵彈序。磁有序呈現時間反演對稱性破缺；鐵電序呈現空間反演對稱性破缺；在鐵彈序中，體系仍保留時間和空間反演對稱性；鐵渦序(Ferrotoroidicorder)作為一類新的鐵性有序將同時破壞時間和空間反演對稱性(如圖1所示)。

圖1、鐵渦序(左上)、鐵電序(右上)、鐵磁序(左下)和鐵彈序(右下)等四種基本鐵性有序相變及相應的時空對稱破缺

作為鐵渦序的序參量，鐵渦矩是由多個磁矩首尾相接構成，如圖2（a-f）所示。雖然磁性和鐵電共存的多鐵性材料也具有時間和空間反演對稱破缺，但它們各自對應自旋和電極化兩個序參量，鐵渦材料則只有鐵渦矩單一序參量。正是由於鐵渦序的特殊反演對稱性破缺，體系存在較強的磁電耦合效應；同時由於鐵渦疇的存在，鐵渦序材料在磁電相互調控等信息技術領域具有潛在的應用前景。

圖2、由磁矩首尾相接構成鐵渦矩（a）沿圓環面流動電流產生鐵渦矩；（b-d）分別由6、4和3個磁矩構成的鐵渦矩；（e-f）由2個磁矩構成的方向相反的鐵渦矩。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室靳常青、望賢成團隊專注於高壓合成新技術的研發和應用，運用先進的高壓極端條件製備技術，近幾年設計、研製、發現了多個系列具有準一維自旋鏈及導電鏈結構的新材料和新物性。最近該團隊在准一維材料研製方面取得重要進展，運用高壓製備技術，望賢成副研究員帶領張俊博士發現了結構二聚化的准一維自旋鏈新材料Ba6Cr2S10。相關研究工作近期發表在Advanced Materials上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202106728

實驗研究結果表明材料的CrS6自旋鏈在c軸方向為二聚化結構(圖3(a))；長程磁有序溫度以下，自旋限制在ab面內，在ab面內呈現鐵磁性排列，沿c方向為反鐵磁排列(圖3(b))。低溫下Ba6Cr2S10的磁點群為mm'2'，該點群不存在時間和空間反演對稱性操作，並允許（反）鐵磁序、鐵電序和鐵渦序共存。圖3(c)所示的電極化實驗數據進一步證實該材料空間反演對稱性破缺。從晶體結構、磁結構以及空間群操作的角度看，Ba6Cr2S10中的准一維自旋鏈完全符合理論預期的一維鐵渦自旋鏈構型。Ba6Cr2S10材料的發現為進一步從理論和實驗上研究鐵渦性質提供模型(prototype)載體。

圖3、（a）Ba6Cr2S10晶體結構中二聚化的CrS6自旋鏈。（b）Ba6Cr2S10磁結構。（c）電極化實驗測量結果。

以上研究得到物理所禹日成和沈西在材料的二聚化顯微結構、龍有文在鐵電性質、英國倫敦大學W.Wu博士和盧瑟福阿普爾頓實驗室的D. T. Adroja博士等人在材料的磁結構、德國馬克斯普朗克物理化學所的Z.W.Hu教授等人在X光吸收譜研究等方面的密切合作。該研究得到基金委和科技部項目的資助。