链状自旋铁电体系结构研究取得新进展

中国科学技术大学教授孙学峰研究组的博士史俊借助稳态强磁场实验装置变温X射线衍射仪（XRD）和拉曼光谱仪设备，对链状自旋体系Ca₃Co_2-xMn_xO₆的电磁行为、铁电性质、结构变化等进行了深入的研究，并取得了新进展。

由于在电磁、自旋电子学、磁存储等领域具有潜在应用价值，多铁材料引起了广泛的关注。Ca₃Co_2-xMn_xO₆(x ≈ 1)是一个典型的磁场驱动铁电体系。它的结构是由沿着c方向的CoO6三棱镜结构和MnO6八面体交替共面而形成的一维自旋链，Co²⁺和Mn²⁺都处于高自旋态。由于很强的链内耦合作用和类伊辛各向异性作用，这一体系可以用一维伊辛模型来描述。在链内，由于近邻的铁磁耦合和次近邻的反铁磁耦合的竞争，导致自旋呈现“向上-向上-向下-向下”的反铁磁结构。交替的Co²⁺和Mn²⁺离子形成磁有序结构打破反演对称性，从而在16.5K诱导沿着c方向的电极化。当沿着c方向施加磁场，电极化被破坏。一种可能的解释是由于“向上-向上-向下-向下”的自旋有序结构改变为“向上-向上-向上-向下”的自旋构型，从而破坏了电极化。而另一种在10T下抑制电极化的机制则认为是磁场导致Mn²⁺离子的自旋反转到ab面内所导致。此外，轻微的破坏Co/Mn离子有序，会大大增强体系的铁电性。实验证明，在这一体系中，离子有序和自旋阻挫对增强铁电性质具有重要的作用。因此，对偏离x=1的Ca₃Co_2-xMn_xO₆的电磁性质研究，对增强该体系的铁电性质具有重要意义。

在本工作中，研究人员发现，和母体Ca3CoMnO6相比，沿着自旋链的方向（即c方向），电极化的量级和转变温度都提高了数倍。此外，当磁场垂直于链时探测到了电极化。这是在Ca₃Co_2-xMn_xO₆体系中第一次从实验上探测到垂直于c方向的电极化。通过低温XRD，对其低温的结构进行了详细研究，发现Co²⁺O₆三棱镜结构发生了Jahn-Teller畸变。对于x=1的母体样品，其晶胞在两个方向的变化是相等的，而对于x=0.75和0.25的样品，在各个方向上发生了不对称的变化。通过低温Raman光谱，研究人员对声子的振动模式进行了研究，发现Jahn-Teller畸变破坏了Co²⁺O₆三棱镜结构的C3对称性，从而导致了沿着和垂直c轴方向的电极化。通过结构和声子模式的研究表明，Ca₃Co_2-xMn_xO₆中铁电性的形成的原因可能和晶格的Jahn-Teller畸变有关。

该研究成果发表在国际期刊《物理评论B》上【Physical Review B 96, 064112 (2017); doi: 10.1103/PhysRevB.96.064112】。

链状自旋体系Ca₃Co_2-xMn_xO₆随温度变化的XRD谱和Raman谱

Ca₃Co_2-xMn_xO₆中晶格的结构的Jahn-Teller畸变和Raman振动模式的改变

来源：中国科学院合肥物质科学研究院