浅析光学二次谐波的磁电耦合演变

磁电耦合通常存在于多铁性体系中，即铁电有序性可以由磁场调控，同时（反）铁磁有序性可以由电场来调控，因此这样一个基本物理特性在多场调控、自旋电子学、传感和能源等领域中具有重要的基础研究意义和应用价值。然而，由于自支撑多铁性氧化物薄膜或二维体系的不稳定性和易碎性，传统方法极大地限制了相关的探测和研究，而使这些同时发生的电磁有序和耦合的表征、机制揭示及耦合效应调控变得极具挑战性。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室金奎娟研究员、杨国桢院士课题组长期致力于利用光学二次谐波产生（Second Harmonic Generation, SHG）表征及探测，以揭示复杂氧化物薄膜的空间反演不对称、极化耦合和铁电有序演变等物理的研究。近年来，金奎娟研究员带领研究生先后围绕SHG探测异质结表面和界面的空间对称破缺【Science China Physics, Mechanics and Astronomy 56, 2370-2376 (2013)】，SHG探测氧化物铁电薄膜的铁电相态演变【Appl Phys Lett 112, 102904 (2018)】、具有超高热电性能（与华中科技大学张光祖团队合作）的ClO4分子的结构对称性破缺【Science Advances 7, eabe3068 (2021)】等方面开展研究。

最近，又自主发展了宽温区、高真空度、多气体环境SHG光学探测平台，与清华大学林元华教授和南策文院士团队合作，原位实时探测了弛豫铁电薄膜Sm-doped BiFeO3-BaTiO3中的极化耦合演变，发现并证实了具有超高储能密度的超顺电态【Science 374, 100-104 (2021)】。这些研究成果为发展更为先进的SHG方法研究多铁体系中的磁电耦合打下基础。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心L03组的博士生徐帅与毕业生王洁素博士（现为北京量子信息科学研究院副研究员）在金奎娟研究员的指导下，使用脉冲激光沉积法制备了多铁性的外延BiFeO3(BFO)薄膜和自支撑BFO薄膜,利用外加磁场的宽温区SHG技术研究了多铁性BFO薄膜中的磁电耦合效应。系统地研究了不同应力调控下BFO薄膜中铁电有序和反铁磁有序随着外加磁场和温度的演化,并与物理所白雪冬研究员课题组陈潘博士合作，利用透射电镜给出了不同应力调控下薄膜中铁电序的演变。 研究人员定义了一个光学磁电耦合常数——表示通过磁场控制多铁性材料中光致非线性极化的能力。发现应变释放以后，自支撑BFO薄膜中光学磁电耦合常数的绝对值减小，并且反铁磁有序和铁电有序均被抑制。

研究人员还发现，该光学磁电耦合常数在自支撑BFO薄膜中与在衬底上外延生长的薄膜中具有相同的量级，表明磁电耦合效应对于应变释放具有鲁棒性。研究人员还清晰地观察到外延BFO薄膜中Néel温度（反铁磁-顺磁转变温度点）为618 K的一级相变和自支撑BFO薄膜中饱和磁矩相较于外延BFO薄膜发生了约7倍的增强，后者主要归因于与电子自旋-轨道耦合相关的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的变化。研究人员还发现自支撑BFO薄膜中强大的磁电耦合效应在室温下仍可以存在，预示着其未来在柔性多功能器件中的潜在应用。以上研究表明展示了SHG方法原位无损探测自支撑等多铁性薄膜或二维体系中铁电及反铁磁有序等物理性质的灵敏性和有效性。

图1. 自支撑BFO薄膜的制备及铁电性能表征

图2. 宽温区(各向异性)SHG和外加磁场(H)的各向异性SHG测试

图3. M-H和外加磁场的SHG测试 本研究的相关内容以“Magnetoelectric Coupling in Multiferroics Probed by Optical Second Harmonic Generation”为题，于2023年4月20日在线发表在Nature Communications上。物理所博士生徐帅与北京量子信息科学研究院的王洁素副研究员，以及物理所的博士后陈潘(现为物理所副研究员)为共同第一作者，物理所金奎娟研究员为通讯作者。主要合作者包括北京量子信息科学研究院的常凯研究员，物理所的白雪冬研究员，北京大学的许秀来教授，物理所的王灿、郭尔佳、葛琛等研究人员。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

编辑：黄飞