铁性材料(即铁磁材料、铁电材料和铁弹材料)的 特 性 分 别 基 于 磁 矩 、 电 极 化 和 弹 性 形 变 的“ 形 成 畴”(forming domains)特性. 这种特性使得这些材料 在技术上非常重要, 如在数据存储中用作铁电记忆 装置或用作写在硬盘上的铁磁畴. 最近, 根据磁涡旋 (vortices 或 toroidization)的有序排列又提出了第四种 形式的铁性, 铁性磁涡旋(ferrotoroidicity).
原子自旋或轨道电流导致的磁涡旋会产生一涡 旋矩(toroidic moment), 这一特性矩可用时间上奇异 的极化矢量 1/ 2 i i
i
T =
∑
r S× 来描述, 其中 Si和ri分别 为第i 个磁矩及其位置矢量, 而且这一矢量在时间反 演和空间反演下都会反向(改变符号). 最简单的磁涡 旋如图44(a)所示: 一个圆环面上套有电流线圈, 而 每个电流线圈都对应着一磁矩. 这一系统会表现出 一个垂直于圆环面的磁涡旋矩T(如图中绿色箭头所 示). 涡旋矩具有内在的磁电耦合效应, 在图44(a)所 示的系统中, 圆环面所在平面内的磁场 H(如图44(b) 所示)会导致沿平面内某一方向上环状电流的聚集, 导致沿这一方向的电极化P. 这也是磁涡旋系统目前图41 2 nm厚的LBMO薄膜磁滞回线回线(a)、磁化强度同温度的关系(b)以及不同条件下的PFM图像((c)~(e))[119]
1127 图42 LSMO/LBMO/Au结构的隧道磁电阻效应. 红色为电
阻同磁场的关系, 而黑色为隧道磁阻率同磁场的关系[119]
得到重视的原因之一.
磁涡旋矩有序排列的系统就是铁性磁涡旋系统.
涡旋矩T 可以作为铁性磁涡旋的序参量, 并且还能导致 不同的直流或光学磁电效应. 也有研究者采用涡旋矩
描述多铁性材料中电极化和磁性序参量的耦合[8,25]. 一 般具有铁电性和铁磁性的多铁性系统中T ∝ ×P M, 但 实际上不一定需要铁电性和铁磁性才能产生宏观的T.
例如, GaFeO3是一典型的铁性磁涡旋系统, 具有沿b方 向的电极化. 但实际上相邻两Fe离子的位移是相反的, 只是数值不一样, 因此宏观上仍然表现出电极化, 可以 视为一种亚铁电体. 而Fe离子自旋呈现亚铁磁排列, 易 磁 化 轴 是c轴 (如 图45所 示), 因 此 表 现 出 宏 观 的
T[8,25]. 这表明P和M的耦合以及宏观的T不一定需要宏
观的P和M同时存在. 这也是目前将反铁磁性和反铁电 性等情况包括在多铁性这一概念中的原因. 而铁性磁 涡旋同多铁性材料之间的关系目前还没有统一的认识, 两 者 的 定 义 也 还 有 模 糊 之 处. 如 铁 性 磁 涡 旋 系 统 GaFeO3, 也有研究者认为它是一种多铁性材料. 这些 都还需要进一步的研究.
涡旋矩, 也就是 P 和 M 的耦合, 会导致光学磁电 效应(optical ME), 包含两类效应. 一方面, 它会导致 与光波极化方向无关的二色性或双折射效应(图 45(c) 所示), 与起源于同光波极化方向相关的 Farady(Kerr)
图43 (a) LSMO/LBMO/Au结构的隧道电流同外加电场的关系, 箭头标示出了施加电场的顺序; (b)为根据这一关系计算 得到的隧道电致电阻效应以及隧道磁电阻效应同外加电场的关系; (c)为施加+2 V和−2 V电场后样品的隧道磁电阻效应;
(d)~(g)为这一结构中得到的四种电阻态[119]
图44 磁涡旋矩示意图
具有奇数个电流线圈(图中红色箭头所示)的圆环面会导致一个垂 直于圆环面的磁涡旋矩(图中绿色箭头所示), 如图(a)所示. 这样 一个系统中如图(b)所示的外加磁场 H 会将电流线圈推向一边, 从
而导致电极化P, 如图(b)中蓝色箭头所示[125]
图45 (a)和(b)分别为GaFeO3的结构和磁蜗旋矩T的示意 图; (c)为各类磁光效应的示意图[8]
旋转不同, 可能来源于 ME 效应在光频范围内由光波 的磁场分量导致的极化(电场). 另一方面, 在多铁性 材 料 中 还 存 在 二 阶 非 线 性 光 激 活 效 应(second-order nonlinear optical activity). 二次谐波效应是指晶体中 频率为ω 的电磁场(入射光)E 会导致频率为 2ω 的电 极化P, 而这一电极化又会作为源释放出倍频的光波, 可表示为P(2 )ω =ε χ ω0ˆE( ) ( ),Eω 其中 ˆχ 是二次谐波 极化率. 由于存在T, 除了沿 P 方向极化的二次谐波 光外, 还能激发沿T方向极化的二次谐波光, 如图 45(c)所示. 因此沿T方向极化的入射光能产生沿P 和
T 方向极化的两种二次谐波(second harmonic genera-tion, SHG). 这一效应具有潜在的应用价值, 但目前相 关研究工作还很少. 有意思的是, 这一效应可以用来 探测铁性磁涡旋以及多铁性系统中磁畴和铁电畴之间 的耦合, 而利用其他技术实现这一点却并不容易.
从对称性的角度来看, 所有物理系统都能用其 在空间和时间反演对称性下的变化特性来表征. 前 面也提过, 铁电性和铁磁性分别对应于空间反演和 时间反演下变化符号, 而铁弹性在空间和时间反演 下都不变化, 如图 46 所示. 从这一角度看, 为了将这 一表格填满, 就必须存在一种在时间和空间反演下 都变化的铁性系统, 而铁性磁涡旋正是这样一种铁 性系统. 因此有研究者将铁性磁涡旋归为基本铁性 的一种. 而我们前面所讲的多铁性系统同时具有两 种序参量, 其中一种破坏了时间反演对称性, 而另外 一种破坏了空间反演对称性, 因此也是时间和空间 不对称的. 从这一点上看, 铁性磁涡旋同多铁性系统 有内在的联系, 这也是这一系统引起注意以及我们 将其作为本文一节的原因.
图46 各种铁性序中时间和空间反演的关系[125]
类似于铁弹性通常与铁电性相联系, 由于铁性 磁涡旋需要有磁矩(自旋)的涡旋状排列, 因此通常与 反铁磁性联系在一起. 图47是几种典型的磁矩反铁 磁排列示意图. 从图中可以很清楚看出, (a)和(b)具有 大小相同但方向相反的环状矩, 而(c)中的反铁磁排 列也会出现环状矩, 但(d)所示的自旋排列则不会出 现环状矩.
除G a F e O3 外, 典 型 的 铁 性 磁 涡 旋 系 统 还 有 LiCoPO4 和LiNiPO4[121~125]. 以前一材料为例, Li-CoPO4 在顺磁态下具有空间群mmm的橄榄石结构,
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图49 LiNiPO4系统在磁相变温度附近电极化同磁场Hx的关系[123]
图中可以清晰地看到左下角存在一个反铁磁畴和畴 界(图中黑线所示), 其余部分均为单一的反铁磁畴 (中央附近深黑色区域是样品破损区域). 而 ˆχyyz和
ˆzyy
χ 分量的二次谐波光图像则表现出完全不同的图 案. 从 ˆχ + ˆyyz χ 分量二次谐波光成像(图zyy 50(b))可以 看出, 即使在单一反铁磁畴内也还存在明暗对比的 图样, 表明还存在其他铁性序的畴结构. 而二次谐波 光的极化方向沿x轴反转 90°(亦即变为 ˆχ − ˆyyz χ )导致zyy 明暗区域的反转, 如图50(c)所示. 这一反转只可能 来源于两种不同铁性序的二次谐波干涉. 研究人员 因此认为这一额外的畴结构应该来源于铁性磁涡旋 有序相. 根据以上分析得到的畴结构如图 50(d)所示.
这一样品中存在三个畴: 最大的畴(反铁磁, +l; 铁性 磁涡旋矩特性, +T; 标示为“++”)以及(+l, −T)和(−l, +T)[125].