顆粒在線訊：對(duì)稱性破缺是物質(zhì)科學(xué)研究范式的基本要素之一，鐵性（Ferro）功能材料具有重要且極為廣泛的應(yīng)用價(jià)值，鐵性序主要包括磁有序、鐵電序和鐵彈序。磁有序呈現(xiàn)時(shí)間反演對(duì)稱性破缺；鐵電序呈現(xiàn)空間反演對(duì)稱性破缺；在鐵彈序中，體系仍保留時(shí)間和空間反演對(duì)稱性；鐵渦序（Ferrotoroidic order）作為一類新的鐵性有序?qū)⑼瑫r(shí)破壞時(shí)間和空間反演對(duì)稱性（圖1）。正是由于鐵渦序的特殊反演對(duì)稱性破缺，體系存在較強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)；由于鐵渦疇的存在，鐵渦序材料在磁電相互調(diào)控等信息技術(shù)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。作為鐵渦序的序參量，鐵渦矩是由多個(gè)磁矩首尾相接構(gòu)成【圖2（a-f）】。由于鐵渦矩的特殊結(jié)構(gòu)，已知鐵渦材料類型非常稀少，鐵渦序相關(guān)性質(zhì)研究報(bào)道更少。目前只在LiCoPO4材料中觀察到鐵渦疇，并在外加渦旋電磁場下對(duì)鐵渦疇實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)調(diào)控。 

　　一維體系結(jié)構(gòu)簡單，物理圖像簡潔直觀，易于構(gòu)建理論模型。對(duì)于均勻排列的一維反鐵磁鏈而言，結(jié)構(gòu)二聚化將使得自旋反平行排列的一維自旋鏈【圖2(h)】同時(shí)具有時(shí)間和空間反演對(duì)稱性破缺，因此理論預(yù)言，該結(jié)構(gòu)二聚化且自旋反平行排列的一維自旋鏈具有鐵渦性質(zhì)，并且兩個(gè)反平行排列的自旋構(gòu)成最簡單的鐵渦矩【圖1(e,f)】。這種情況可以類比于正負(fù)電荷均勻排列的一維鏈：該電荷鏈不呈現(xiàn)凈的電極化，但如果正負(fù)電荷鏈存在二聚化，空間反演對(duì)稱性破缺，體系將呈現(xiàn)鐵電性質(zhì)。盡管理論早已提出該簡單的一維鐵渦鏈模型，但到目前仍為止未見實(shí)際材料報(bào)道。 

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室靳常青、望賢成團(tuán)隊(duì)專注于高壓合成新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，運(yùn)用先進(jìn)的高壓極端條件制備技術(shù)，近幾年設(shè)計(jì)、研制、發(fā)現(xiàn)了多個(gè)系列具有準(zhǔn)一維自旋鏈及導(dǎo)電鏈結(jié)構(gòu)的新材料和新物性。例如，高壓制備發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)一維導(dǎo)電鏈材料Ba3TiTe5，揭示在壓力調(diào)控的一維導(dǎo)電鏈向三維金屬轉(zhuǎn)變過程伴隨超導(dǎo)等演生物理現(xiàn)象【NPG Asia Materials 11:60 (2019)】；高壓制備發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)一維亞鐵磁鏈Ba9V3Se15，觀察到鐵磁鏈自旋激發(fā)對(duì)比熱的貢獻(xiàn)呈現(xiàn)T1/2的關(guān)系【JPCM 30 214001(2018)】；高壓制備發(fā)現(xiàn)具有準(zhǔn)一維反鐵磁鏈材料Ba9Fe3Te15，觀察到反鐵磁鏈自旋激發(fā)對(duì)比熱貢獻(xiàn)的線性溫度依賴關(guān)系【Inorganic Chemistry 59, 5377 (2020)】；高壓制備發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)一維螺旋磁有序材料Ba9Fe3Se15【Phys. Rev. Mat. 5, 54606(2021)】；高壓制備發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)新材料La3TiP5、La3TiAs5和La3CrAs5【JAC 859, 157839 (2021)；Science China Material 63, 1750 (2020)；JAC 905, 164214 (2022)】。 

　　近日，該團(tuán)隊(duì)等在準(zhǔn)一維材料研制方面取得新進(jìn)展，運(yùn)用高壓制備技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)二聚化的準(zhǔn)一維自旋鏈新材料Ba6Cr2S10。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明材料的CrS6自旋鏈在c軸方向?yàn)槎刍Y(jié)構(gòu)【圖3(a)】；長程磁有序溫度以下，自旋限制在ab面內(nèi)，在ab面內(nèi)呈現(xiàn)鐵磁性排列，沿c方向?yàn)榉磋F磁排列【圖3(b)】。低溫下Ba6Cr2S10的磁點(diǎn)群為mm'2'，該點(diǎn)群不存在時(shí)間和空間反演對(duì)稱性操作，并允許（反）鐵磁序、鐵電序和鐵渦序共存。電極化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)該材料空間反演對(duì)稱性破缺。從晶體結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)以及空間群操作的角度看，Ba6Cr2S10中的準(zhǔn)一維自旋鏈完全符合理論預(yù)期的一維鐵渦自旋鏈構(gòu)型。Ba6Cr2S10材料的發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步從理論和實(shí)驗(yàn)上研究鐵渦性質(zhì)提供模型載體。 

　　以上研究工作于近期發(fā)表在Advanced Materials上。相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科學(xué)技術(shù)部項(xiàng)目的資助。

圖1 鐵渦序(左上)、鐵電序(右上)、鐵磁序(左下)和鐵彈序(右下)等四種基本鐵性有序相變及相應(yīng)的時(shí)空對(duì)稱破缺

　　圖2 由磁矩首尾相接構(gòu)成鐵渦矩（a）沿圓環(huán)面流動(dòng)電流產(chǎn)生鐵渦矩 （b-d）分別由6、4和3個(gè)磁矩構(gòu)成的鐵渦矩 （e-f）由2個(gè)磁矩構(gòu)成的方向相反的鐵渦矩 （g）自旋均勻排列的反鐵磁鏈，其空間和時(shí)間反演對(duì)稱性均未破缺，不存在鐵渦性 （h）自旋結(jié)構(gòu)二聚化且反鐵磁排列的自旋鏈，理論預(yù)測的一維鐵渦鏈模型

圖3 （a）Ba6Cr2S10晶體結(jié)構(gòu)中二聚化的CrS6自旋鏈 （b）Ba6Cr2S10磁結(jié)構(gòu) （c）電極化實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

來源： 物理研究所