圖1.PbTiO3/LaTiO3超晶格中主要的結(jié)構(gòu)畸變。（a）沿面內(nèi)a軸方向的極化畸變 P，（b）面內(nèi)反向氧八面體旋轉(zhuǎn)Fxy，（c）面外同向氧八面體旋轉(zhuǎn)Qz，（d）Jahn-Teller晶格畸變Q。

多鐵性材料是近年來凝聚態(tài)物理、材料物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在存儲(chǔ)、傳感等電、磁領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景。雖然目前存在不同類型的多鐵性材料，即I型多鐵（如BiFeO3）、II型多鐵（如TbMnO3）、雜化非本征多鐵等，但是它們中的大多數(shù)都只有很弱的凈鐵磁，電場(chǎng)控制強(qiáng)鐵磁的單相材料從未實(shí)現(xiàn)。另外，Jahn-Teller結(jié)構(gòu)畸變是材料中另一有趣的現(xiàn)象，它和軌道序、巨磁阻、超導(dǎo)和強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)性質(zhì)密切相關(guān)。通過外電場(chǎng)調(diào)控材料的Jahn-Teller效應(yīng)及其他電子特性是另一具有重要價(jià)值的研究?jī)?nèi)容。

圖3. （a）鐵磁沿a軸與b軸方向的能量差，氧八面體扭轉(zhuǎn)角度和電極化隨電場(chǎng)的變化（b）Ti3+ 陽離子的磁軸通過電場(chǎng)調(diào)控翻轉(zhuǎn)90°的示意圖，（c）Jahn-Teller畸變，氧八面體扭轉(zhuǎn)角度和電極化隨電場(chǎng)的變化（d）費(fèi)米面至其以下0.5eV范圍內(nèi)的電荷密度分布。其中（a）（b）電場(chǎng)沿-b軸方向，即垂直于初始極化方向；（c）（d）電場(chǎng)沿a軸方向，即反平行于初始極化方向。

楊玉榮研究團(tuán)隊(duì)在PbTiO3/LaTiO3等超晶格實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)控制強(qiáng)鐵磁性質(zhì)，同時(shí)，利用電場(chǎng)也可控制的Jahn-Teller畸變和軌道序。具體來說，PbTiO3/LaTiO3超晶格不僅僅是具有多鐵性，同時(shí)具有強(qiáng)電極化和強(qiáng)鐵磁，還具有Jahn-Teller效應(yīng)和軌道序。在電場(chǎng)的作用下，這種強(qiáng)鐵磁的方向可以90°翻轉(zhuǎn)，甚至可以180°完全逆轉(zhuǎn)。更為令人驚嘆的是，Jahn-Teller畸變和軌道序可以隨著電場(chǎng)方向的改變而發(fā)生翻轉(zhuǎn)。因此，這些新奇的發(fā)現(xiàn)將為調(diào)控磁性、磁電耦合和強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子特性打開一扇新的大門。因此，當(dāng)前的研究工作將極大地推動(dòng)諸多領(lǐng)域(如凝聚物質(zhì)、材料科學(xué)、納米科學(xué)和電磁學(xué))的實(shí)質(zhì)性發(fā)展，解決在多鐵材料研究領(lǐng)域中的一個(gè)突出問題---通過電場(chǎng)控制強(qiáng)磁化。此外，通過調(diào)控Jahn-Teller畸變和軌道序來控制電子性質(zhì)，開辟了電子性質(zhì)電場(chǎng)控制這一全新領(lǐng)域。 

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院楊玉榮特聘研究員為論文通訊作者，合作單位有University of Arkansas、University of Luxembourg、復(fù)旦大學(xué)，研究得到了中組部、國家自然科學(xué)基金委面上、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金等項(xiàng)目的支持。