第二届上海大学十大学术进展候选项目简介

（申报编号：XSJZ-202207)

一、学术进展名称及负责人

新型多铁材料的磁电耦合性质调控研究

任伟（上海大学理学院物理系教授）

二、项目背景

具有（反）铁磁性、铁电性、铁弹性和铁谷性等共存的多铁性材料，由于不同铁性序参量的耦合和由此产生的新型磁电效应，引起了国内外学者的极大关注。同时越来越多的新型二维层状材料结构的相继发现，原子层级别厚度的二维多铁性材料将进一步拓展多功能新材料的基础应用研究。由于铁电和磁电的对称性要求不同，通常缺乏内在的磁电耦合机制，在电场下逆转磁化方向或在外加磁场下翻转电极化的有效磁电开关的实现具有重要的科学意义。

三、学术进展及创新点：

1.基于新型多铁材料的物理性质研究，特别是对于层状结构的VS₂材料，本工作预言其在极化的基础上同时具有磁性和谷性，因此双层VS₂同时具有铁电性、铁磁性和铁谷性。通过对电子结构和贝里曲率计算的分析，发现铁电性和反铁磁性可以通过铁谷耦合来实现双层VS₂的电控磁性，这对于理解和操控电子电荷、自旋和谷底自由度的相互作用具有重要意义。

2.受邀对GdMn₂O₅这一复杂多铁材料中提出的一种由拓扑状态保护的类似“曲轴（crankshaft）”的磁电开关及其模型的物理解释进行了评论。介绍了GdMn₂O₅单晶存在由魔角磁场开闭导致的电极化四态回滞效应，将磁场的往复运动转换成环形的自旋运动。这项工作将激发后续具有类似特性的第Ⅱ类多铁材料得到重视，特别是稀土氧化物家族的其他成员将会成为今后的研究热点。

四、研究成果及应用情况、学术及社会影响：

1. 代表性成果（论著、专利及获奖）

（1）Ren W, Bellaiche L. Topology turns the crank on a magnetoelectric switch. Nature, 2022, 607(7917): 34-36.

（2）Li Y, Liu C, Zhao G D, et al. Two-dimensional multiferroics in a breathing kagome lattice. Physical Review B, 2021, 104(6): L060405.

（3）著作图书：玩转量子世界，出版社：北京联合出版公司，出版年份：2021年。

（4）原子级标量特征提取软件；授权国：中国；类别：软件著作权；专利号：2021SR0725037

2. 学术及社会影响

本项目基于量子力学第一原理计算，在PRL上首次提出了过渡金属硫化物双层结构的二维滑移铁电、反铁磁和铁谷耦合调控的非常规多铁新机制。在PRB等一系列论文中报道了多种二维铁电、铁磁和铁弹功能材料的奇特效应及其微观解释。应Nature主刊邀请评述了稀土氧化物GdMn₂O₅单晶在磁场下的一种由拓扑状态保护的类似“曲轴（crankshaft）”的磁电开关及其理论模型的物理解释。项目成果对解决量子材料计算物理的基础科学问题具有重大意义，是在国内外学术界产生重大影响的基础理论研究成果，所属领域是量子材料和计算物理、电子信息技术的交叉学科。

图1二维多铁材料双层VS₂在外场下的多态调控。见代表作Phys. Rev. Lett. 125, 247601 (2020)。

图2与晶轴方向不同角度的磁场下铁电极化的四态开关效应。见代表作Nature 607, 34-36 (2022)。