东南大学逯学曾团队建立“铁电切换磁电系数”普适理论，为非易失性存储器提供了新的理论基础

（通讯员 逯学曾）近日，东南大学物理学院逯学曾教授团队及其合作者，成功建立了一套适用于第一类多铁材料的新型磁电耦合理论，从对称性角度揭示了通过铁电极化翻转实现非易失性线性磁电系数切换的普适物理机制，并给出了清晰的材料实现路径。相关成果以“Design and Theory of Switchable Linear Magnetoelectricity by Ferroelectricity in Type-I Multiferroics”（第一类多铁材料中铁电切换磁电系数的设计理论）为题于2025年10月20日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

长期以来，实现电场对磁性的非易失性控制一直是自旋电子学和多功能器件领域的核心目标之一。传统线性磁电效应（如Cr₂O₃）（见左图）是易失性的——即磁化强度的反转只能通过外电场实现，随着外电场的移除而消失。尽管过去几十年中线性磁电效应已被广泛研究，但铁电翻转本身可直接反转磁电系数进而实现非易失性磁态控制的现象却十分罕见，此前仅偶见于六角锰氧化物和PMN-PT-Terfenol-D异质结等个别体系，且缺乏普适的理论和材料设计指导。

本研究通过构建含有自旋轨道耦合效应的自旋群对称操作，并考虑极化反转过程中Dzyaloshinskii-Moriya相互作用能的不变性，证明了在第一类多铁材料中最多存在两种截然不同的极化翻转情形。情形一中，可以实现倒空间中的自旋动量锁定，其磁电耦合效应既适用于传统反铁磁也适用于交替磁性多铁材料。情形二中，可以实现实空间中的线性磁电系数反转（见右图），而交替磁性是实现可切换磁电系数的关键因素，其内在的平移与时间反演联合操作的对称性破缺与线性磁电效应要求吻合。通过第一性原理计算和群理论分析，在包括LiNbO₃型结构、Ruddlesden-Popper相、双钙钛矿等在内的17种交替磁多铁材料中验证了这一理论的普适性。

该研究不仅提出了一个更精确的、适用于真实材料中处理磁电耦合的对称性框架，更为关键的是，上述两种情形对应的磁电耦合效应在对称性上是互斥的。也就是说，所有具有交替磁性的多铁材料都具备本征的磁电耦合效应——要么通过情形一、要么通过情形二来实现，具体取决于材料中哪种极化翻转路径的能垒更低。并且，团队还提出了在多铁材料中能确定性地通过情形二实现非易失性电控磁性的策略。通过定向裁剪材料性能的方法，将交替磁性设计为亚铁磁性，就有望抑制情形一对应的极化翻转方式，该方法也已在多种亚铁磁多铁材料中得到验证。

该项研究不仅建立了”铁电切换磁电系数”的普适理论，还为从交替磁性多铁材料出发设计这一效应提供了清晰的技术路径，为发展新一代低功耗、高密度非易失性存储器件提供了新的理论基础和材料设计方向。

本工作第一单位为东南大学，物理学院张慧敏博士为第一作者，美国西北大学James Rondinelli教授和逯学曾教授为共同通讯作者。本工作还得到了东南大学董帅教授、复旦大学向红军教授和日本京都大学朱童教授和Hiroshi Kageyama教授的支持；以及江苏省卓越博士后计划、国家资助博士后研究人员计划、国家自然科学基金项目、东南大学量子材料与信息器件教育部重点实验室开放课题项目和东南大学新教师启动经费支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/66zq-39yc

供稿：物理学院

（责任编辑：周子琪 审核：宋业春）