在BaMnF4中通过磁电耦合效应诱导的交换偏置效应
Shuang Zhou, Ji Wang, Xiaofeng Chang, Shuangbao Wang, Bin Qian, Zhida Han, Qingyu Xu*, Jun Du*, Peng Wang & Shuai Dong*
由于多铁性对外层电子结构的要求相冲突（一般磁性要求外层有未配对的电子，而铁电性则要求外层轨道上电子全空），导致单向多铁性材料非常稀少。这就是通常所说的铁电性对外层电子结构要求的d0规则。。如何打破这样矛盾的要求是实现增强的磁电耦合效应以实现多铁性应用的关键。这一规则通常是在氧化物钙钛矿材料中总结出来的经验规律，要打破这一规律，则应该到其它类型的化合物中去探索。氟化物就是这样一种可能的材料，由于F的电负性大于O，因此3d过渡金属离子与F的化学键更倾向于离子间，而不是与O原子那样有很强的共价键特性，轨道杂化就会很弱。这样就导致成键后波恩有效荷转移就很少， 铁电性的d0规则就有可能被打破。
实验上，我们通过水热法制备了BaMnF4粉末样品，颗粒的尺寸大部分在微米以上，这样颗粒表面的磁性影响可以忽略不计。如上图所示，我们在5K的时候观测到清晰的磁滞回线，表明了BaMnF4样品具有微弱的铁磁性，这与文献的报道是相一致的。非常有意思的是，我们在场冷的5 K磁滞回线看到了偏移，如果加正向场进行场冷，磁滞回线则向负向偏移，反之则向正向偏移，这正是我们通常观测到的交换片子效应。另外，我们测量了不同温度下的磁滞回线，发现，首先在大约65 K左右出现交换偏置效应，然后大约在40 K到20 K之间出现一个拐点。65 K的温度刚好与这个材料出现二维面内反铁磁序的温度一致，而低温下交换偏置场出现拐点的温度则和其出现三维反铁磁的温度一致。矫顽力随温度的变化具有类似的关系。基于上述结果，我们认为这种交换偏置效应来源于其磁电耦合效应诱导的微弱的铁磁性。在温度低于二维反铁磁相变温度时，反铁磁排列的自旋间通过磁电耦合效应，产生的净磁矩取向收到自发极化的钉扎而产生单向各向异性。由于磁晶各向异性，自旋取向在外场下更倾向于轻微的偏离而不是翻转，翻转只能通过高于二维反铁磁相变温度的场冷方向的改变实现。这一交换偏置效应相比于传统的铁磁/反铁磁双层膜交换偏置效应的最大区别是，该效应是体效应，而传统的则是界面效应。
本工作的最主要的贡献有:
1. 实验中观测到的磁滞回线以及交换偏置效应都有力的证明了BaMnF4在低温下通过磁电耦合效应导致反铁磁自旋间轻微请教而产生的弱铁磁性;
2. 我们提出了一种新的实现交换偏置效应的机制，那就是利用自发极化，通过磁电耦合效应实现铁磁磁矩的择优取向。