中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員金奎娟與中科院院士楊國(guó)楨課題組，致力于利用光學(xué)二次諧波產(chǎn)生（Second Harmonic Generation，SHG）表征及探測(cè)以揭示復(fù)雜氧化物薄膜的空間反演不對(duì)稱、極化耦合和鐵電有序演變等物理的研究。近年來(lái)，金奎娟帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，先后圍繞SHG探測(cè)異質(zhì)結(jié)表面和界面的空間對(duì)稱破缺，SHG探測(cè)氧化物鐵電薄膜的鐵電相態(tài)演變、具有超高熱電性能（與華中科技大學(xué)張光祖團(tuán)隊(duì)合作）的ClO₄分子的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性破缺等開(kāi)展研究。科研人員自主發(fā)展了寬溫區(qū)、高真空度、多氣體環(huán)境SHG光學(xué)探測(cè)平臺(tái)，與清華大學(xué)教授林元華和中科院院士南策文團(tuán)隊(duì)合作，原位實(shí)時(shí)探測(cè)了弛豫鐵電薄膜Sm-doped BiFeO₃-BaTiO₃中的極化耦合演變，發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了具有超高儲(chǔ)能密度的超順電態(tài)。上述成果為發(fā)展更先進(jìn)的SHG方法研究多鐵體系中的磁電耦合奠定了基礎(chǔ)。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心L0₃組博士研究生徐帥與畢業(yè)生王潔素（現(xiàn)為北京量子信息科學(xué)研究院副研究員）在金奎娟的指導(dǎo)下，使用脈沖激光沉積法制備了多鐵性的外延BiFeO₃（BFO）薄膜和自支撐BFO薄膜，并利用外加磁場(chǎng)的寬溫區(qū)SHG技術(shù)研究了多鐵性BFO薄膜中的磁電耦合效應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地探究了不同應(yīng)力調(diào)控下BFO薄膜中鐵電有序和反鐵磁有序隨著外加磁場(chǎng)和溫度的演化，并與物理所白雪冬研究員課題組博士陳潘合作，利用透射電鏡給出不同應(yīng)力調(diào)控下薄膜中鐵電序的演變。

　　研究人員定義了一個(gè)光學(xué)磁電耦合常數(shù)——表示通過(guò)磁場(chǎng)控制多鐵性材料中光致非線性極化的能力。研究顯示，應(yīng)變釋放以后，自支撐BFO薄膜中光學(xué)磁電耦合常數(shù)的絕對(duì)值減小，且反鐵磁有序和鐵電有序均被抑制。研究發(fā)現(xiàn)，該光學(xué)磁電耦合常數(shù)在自支撐BFO薄膜中與在襯底上外延生長(zhǎng)的薄膜中具有相同的量級(jí)，表明磁電耦合效應(yīng)對(duì)于應(yīng)變釋放具有魯棒性。研究觀察到外延BFO薄膜中Néel溫度（反鐵磁-順磁轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)）為618 K的一級(jí)相變和自支撐BFO薄膜中飽和磁矩，相較于外延BFO薄膜，發(fā)生了約7倍的增強(qiáng)，而后者主要?dú)w因于與電子自旋-軌道耦合相關(guān)的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的變化。進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)，自支撐BFO薄膜中強(qiáng)大的磁電耦合效應(yīng)在室溫下仍然存在，預(yù)示著其未來(lái)在柔性多功能器件中的潛在應(yīng)用。上述成果展示了SHG方法原位無(wú)損探測(cè)自支撐等多鐵性薄膜或二維體系中鐵電及反鐵磁有序等物理性質(zhì)的靈敏性和有效性。

　　近日，相關(guān)研究成果以Magnetoelectric Coupling in Multiferroics Probed by Optical Second Harmonic Generation為題，在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。北京大學(xué)科研人員參與研究。

　　論文鏈接 

　　圖1.自支撐BFO薄膜的制備及鐵電性能表征

　　圖2.寬溫區(qū)（各向異性）SHG和外加磁場(chǎng)（H）的各向異性SHG測(cè)試

　　圖3.M-H和外加磁場(chǎng)的SHG測(cè)試