广岛大学研究生院先进理工系科学研究科的井上克也教授与西班牙萨拉戈萨大学以及法国劳厄-朗之万研究所的研究团队于2月14日宣布，明确了有望成为新一代IT元件和节能材料的多铁性物质中强弹性-强磁性相互作用的原理。研究团队通过粉末中子衍射技术，同步测量了强弹性磁性体二维钙钛矿化合物的强弹性转变和倾斜反铁磁性转变，从而获得了上述成果。该研究成果有望应用于自旋电子学技术中，提高信息存储密度。相关成果已发表在英国皇家化学学会学术期刊《Journal of Materials Chemistry C》1月29日刊上。
图1：在293K温度下二维钙钛矿化合物的结构。该结构由过渡金属离子的卤化物二维层与有机胺层交替堆叠而成。（供图：广岛大学）
图2：PEA-Fe的磁化曲线偏移（5K）及其温度依赖性。在倾斜反铁磁性转变点温度（图中的TN）以下没有观察到磁化曲线偏移，但在30K以下观察到了磁化曲线偏移（供图：广岛大学）
多铁性材料是一类同时具有强磁性、强铁电性和强弹性等多种特性的物质，有望应用于多种电子器件中。其中，主要的多铁性材料包括源于电磁（ME）效应的强铁电-强磁性材料，以及源于应变磁（MA）效应的强弹性-强磁性材料等。但对MA的强弹性物性研究甚少，相关机制尚未完全明确。强弹性材料的特点在于晶体内部具有均匀的晶格应变，并且该应变状态可以通过外部应力翻转至另一种等能态。通常，强弹性状态通过伴随晶系变化的结构相变而显现。
在这些多铁性材料中，二维钙钛矿化合物因其透明的晶体结构，研究人员已证实能够通过光学手段确认其强弹性状态。
研究团队早在2017年就已报告了二维钙钛矿化合物“PEA-Fe”在高于室温的160℃（433K）下会发生层内方向的自发应变，形成强弹性转变；随着温度降低至零下175℃（98K）时材料发生磁性转变，成为倾斜反铁磁体。
此次，研究团队合成了一种二维钙钛矿化合物，并发现该晶体的弹性与磁性之间存在耦合作用。
在通过X射线晶体结构分析确认了PEA-Fe的二维钙钛矿结构后，通过粉末中子衍射测量，明确了强弹性有序与倾斜反铁磁有序共存的现象。
研究发现，这种强弹性磁性体在外部磁场作用下冷却时，磁化曲线会出现上下位移。在低于磁性转变点温度时观察到了磁化曲线偏移现象。
研究结果表明，强弹性引起的晶体内部应变会通过自旋轨道相互作用转移到磁性结构中。
这一系列相互作用同样在手性晶体磁性体中也得到了体现。理论上，手性晶体应变和磁性可通过自旋轨道相互作用产生手性螺旋磁性结构，而此次研究首次通过实验证实了这一理论。
包含大轨道角动量磁性离子且晶体应变与磁结构强烈耦合作用的强弹性磁性多铁性材料，有望作为新一代自旋电子学器件的基础材料。
井上教授表示：“强弹性磁性多铁性材料以及手性磁性体等磁性结构，反映了晶体应变、手性晶体空间群等原子及离子的位置信息，通过轨道角动量反映到磁性中，从而显现独特的物性。此次，我们通过实验明确证明了这一理论预测。未来，我们期待强弹性磁性多铁性材料及手性磁性体等相关研究能够取得更进一步的发展。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of Materials Chemistry C
论文：Coupling between ferroelasticity and magnetization in two dimensional organic-inorganic perovskites (C6H5C2H4NH3)2MCl4 (M = Mn, Cu, Fe)
DOI：10.1039/d4tc04445b
