简单钙钛矿氧化物的磁性在通常情况下或者为顺磁，或者为反铁磁。云南师大物理与电子信息学院付召明等人最近研究了由铁电/顺电材料构成的钙钛矿超晶格体系（BiFeO3/SrTiO3），如图1所示。在该工作中作者发现：由于铁电性与界面效应同时共存并且相互影响，从而在该钙钛矿复合体系中演生出了巡游的铁磁性。作者对其背后的物理机制进行了深入的分析和讨论。该成果以云南师大为第一单位在国际凝聚态物理知名期刊Physical Review B上发表（Phys. Rev. B,2021, 103, 195301；DOI:10.1103/PhysRevB.00.005300），并很快被国内《电介质·Dielectrics》公众号报道。论文第一（兼通讯）作者付召明副教授是物理与电子信息学院今年引进的高层次人才，主要从事凝聚态物理表面界面的理论模拟研究，在国际著名物理期刊Physical Review Letters，Physical Review B, Applied Physics Letters，npj quantum materials等杂志上发表文章多篇，并主持完成和参与了多项国家自然科学基金项目。
图1.SrTiO3/BiFeO3/SrTiO3超晶格模型，蓝色箭头标记Bi离子的极化位移。（a）上下界面均为N型，界面将诱导头对头的铁电畴；（b）上下界面均为P型，界面将诱导尾对尾的铁电畴；（b）上下界面分别为N型和P型，界面将诱导单向的铁电极化。
众所众知，在异质结或超晶格体系中界面效应常常会带来很多新奇的物性。而钙钛矿异质结（例如LaAlO3/SrTiO3）由于其界面处二维电子气的发现而成为该领域的研究热点。这种二维电子气本质上起源于界面极性不连续而导致的电子结构重构，它的出现使得界面具有很高的电导。而付召明等人则在之前研究的钙钛矿异质结体系中引入了一个新的物理特性——铁电性。通过研究发现，原来的界面效应会与引入的铁电性之间发生相互耦合，从而演生出很有趣的物理行为。具体而言，界面效应会诱导在铁电材料层（BiFeO3）中形成“头对头”或“尾对尾”的铁电畴以及单向的铁电极化（见图1）。并且在两种铁电畴的畴壁上分别观测到了二维电子气(2DEG)和二维空穴气(2DHG)，如图2所示。以现代极化理论为基础的界面理论可对以上结果给出简明的解释。
图2.超晶格中Fe3d轨道的原子层分解的投影态密度，（a）头对头铁电畴壁上的二维电子气（2DEG），（b）尾对尾铁电畴壁上的二维空穴气(2DHG)。（c）单向铁电极化中的能带弯曲现象。
作者深入研究了这种铁电畴壁上的二维电子气的磁性，发现该巡游电子气是自旋极化的，呈现出巡游的铁磁性。同时作者还分析了这种巡游铁磁的形成机制，并指出该体系的新奇之处在于在铁电畴壁上同时具有局域和巡游两种Fe的3d轨道电子。对于氧化物绝缘体中的磁相互作用，人们倾向于用超交换模型去理解。其原因是氧化物绝缘体中的d轨道电子是局域化的，而非巡游的，这种超交换作用通常导致反铁磁序。然而在该工作所考察的BiFeO3/SrTiO3超晶格中，不仅包含有Fe的3d局域电子，而且在铁电畴壁上还出现了巡游的Fe的3d电子，即畴壁上的二维电子气。前者贡献了BiFeO3层的反铁磁序背景；而对于后者，固体磁性理论指出巡游3d电子磁性的研究应从斯通纳模型出发，而非超交换模型。因此，可以与过渡金属中巡游的3d轨道电子的磁性进行对比，以理解界面和铁电畴壁上的二维电子气的磁性。在以前报道的LaAlO3/SrTiO3中，二维电子气出现在界面的钛氧层（TiO2）上,源自于Ti的3d电子。当前工作中的二维电子气出现在铁电畴壁的铁氧层上（FeO2）,源自于Fe的3d电子。由斯通纳判据知：在金属铁中，巡游的Fe的3d电子将呈现铁磁，而在金属钛中，巡游的Ti的3d电子将呈现顺磁。由此对比，可清楚地解释为什么当前工作中铁电畴壁上的二维电子呈现巡游铁磁性，而以前报道的界面二维电子气呈现顺磁性。这样一来，最终的结果是在铁电畴壁上局域的Fe的3d电子贡献了一个反铁磁背景，而巡游的Fe的3d电子则贡献了自旋极化的二维电子气。如图3所示。
图3.超晶格中BiFeO3的磁性：图中紫色，褐色，红色小球分别代表Bi，Fe，O离子。左图中白色箭头示意了BiFeO3的反铁磁背景，黑色箭头示意了巡游的铁磁性；右图的蓝色和灰色分别是计算出的自旋上和自旋下的电子密度。在中间的铁电畴壁上，可以看到局域反铁磁和巡游铁磁的共存。
该研究成果对自旋电子学领域和多铁性物理领域的研究都有一定的启发意义。
物理与电子信息学院 供稿
