磁電耦合一般存在于多鐵性體系中，即鐵電有序性可以由磁場(chǎng)調(diào)控，同時(shí)（反）鐵磁有序性可以由電場(chǎng)來(lái)調(diào)控，因而這樣一個(gè)基本數(shù)學(xué)特點(diǎn)在多場(chǎng)調(diào)控、自旋電子學(xué)、傳感和能源等領(lǐng)域中具有重要的基礎(chǔ)研究意義和應(yīng)用價(jià)值。但是，因?yàn)樽灾味噼F性氧化物薄膜或二維體系的不穩(wěn)定性和易碎性凝聚態(tài)物理英語(yǔ)，傳統(tǒng)方式極大地限制了相關(guān)的偵測(cè)和研究，而使那些同時(shí)發(fā)生的電磁有序和耦合的表征、機(jī)制闡明及耦合效應(yīng)調(diào)控顯得極具挑戰(zhàn)性。
中國(guó)科大學(xué)數(shù)學(xué)研究所/上海匯聚態(tài)化學(xué)國(guó)家研究中心光化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金奎娟研究員、楊國(guó)楨教授課題組常年旨在于借助光學(xué)二次紋波形成（,SHG）表征及偵測(cè)，以闡明復(fù)雜氧化物薄膜的空間反演不對(duì)稱、極化耦合和鐵電有序變遷等化學(xué)的研究。近些年來(lái)凝聚態(tài)物理英語(yǔ)，金奎娟研究員率領(lǐng)研究生先后圍繞SHG偵測(cè)異質(zhì)結(jié)表面和界面的空間對(duì)稱破缺【China,and56,2370-2376(2013)】，SHG偵測(cè)氧化物鐵電薄膜的鐵電相態(tài)演化【ApplPhysLett112,(2018)】、具有超高熱電性能（與華北科技學(xué)院張光祖團(tuán)隊(duì)合作）的ClO4分子的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性破缺【7,(2021)】等方面舉辦研究。近來(lái)，又自主發(fā)展了寬溫區(qū)、高真空度、多二氧化碳環(huán)境SHG光學(xué)偵測(cè)平臺(tái)，與復(fù)旦學(xué)院林元華院士和南策文教授團(tuán)隊(duì)合作，原位實(shí)時(shí)偵測(cè)了弛豫鐵電薄膜Sm-doped-中的極化耦合變遷，發(fā)覺(jué)并否認(rèn)了具有超高儲(chǔ)能密度的超順電態(tài)【374,100-104(2021)】。那些研究成果為發(fā)展更為先進(jìn)的SHG方式研究多鐵體系中的磁電耦合打下基礎(chǔ)。
近來(lái)，中國(guó)科大學(xué)數(shù)學(xué)研究所/上海匯聚態(tài)化學(xué)國(guó)家研究中心L03組的博士生徐帥與結(jié)業(yè)生王潔素博士（現(xiàn)為上海量子信息科學(xué)研究院副研究員）在金奎娟研究員的指導(dǎo)下，使用脈沖激光沉積法制備了多鐵性的外延(BFO)薄膜和自支撐BFO薄膜,借助外加磁場(chǎng)的寬溫區(qū)SHG技術(shù)研究了多鐵性BFO薄膜中的磁電耦合效應(yīng)。系統(tǒng)地研究了不同撓度調(diào)控下BFO薄膜鐵建電有序和反鐵磁有序隨著外加磁場(chǎng)和濕度的演進(jìn),并與數(shù)學(xué)所白雪冬研究員課題組陳潘博士合作，借助透射電鏡給出了不同撓度調(diào)控下薄膜鐵建電序的演化。
研究人員定義了一個(gè)光學(xué)磁電耦合常數(shù)——表示通過(guò)磁場(chǎng)控制多鐵性材料中光致非線性極化的能力。發(fā)覺(jué)應(yīng)變釋放之后，自支撐BFO薄膜中光學(xué)磁電耦合常數(shù)的絕對(duì)值降低，但是反鐵磁有序和鐵電有序均被抑制。研究人員還發(fā)覺(jué)，該光學(xué)磁電耦合常數(shù)在自支撐BFO薄膜中與在襯底上外延生長(zhǎng)的薄膜中具有相同的量級(jí)，表明磁電耦合效應(yīng)對(duì)于應(yīng)變釋放具有魯棒性。研究人員償還晰地觀察到外延BFO薄膜中Néel氣溫（反鐵磁-順磁轉(zhuǎn)變體溫點(diǎn)）為618K的一級(jí)相變和自支撐BFO薄膜中飽和磁矩相較于外延BFO薄膜發(fā)生了約7倍的提高，前者主要?dú)w因于與電子載流子-軌道耦合相關(guān)的-互相作用的變化。研究人員還發(fā)覺(jué)自支撐BFO薄膜中強(qiáng)悍的磁電耦合效應(yīng)在溫度下仍可以存在，喻示著其未來(lái)在柔性多功能元件中的潛在應(yīng)用。以上研究表明展示了SHG方式原位無(wú)損偵測(cè)自支撐等多鐵性薄膜或二維體系鐵建電及反鐵磁有序等化學(xué)性質(zhì)的靈敏性和有效性。。
本研究的相關(guān)內(nèi)容以“inby”為題，于2023年4月20日在線發(fā)表在上。化學(xué)所博士生徐帥與上海量子信息科學(xué)研究院的王潔素副研究員，以及化學(xué)所的博士后陳潘(現(xiàn)為化學(xué)所副研究員)為共同第一作者，化學(xué)所金奎娟研究員為通信作者。主要合作者包括上海量子信息科學(xué)研究院的常凱研究員，數(shù)學(xué)所的白雪冬研究員，上海學(xué)院的許秀來(lái)院士，數(shù)學(xué)所的王燦、郭爾佳、葛琛等研究人員。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研制計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
相關(guān)工作鏈接：
圖1.自支撐BFO薄膜的制備及鐵電性能表征
圖2.寬溫區(qū)(各向異性)SHG和外加磁場(chǎng)(H)的各向異性SHG測(cè)試
圖3.M-H和外加磁場(chǎng)的SHG測(cè)試