磁電耦合通常存在于多鐵體系中，即鐵電有序性可以由磁場控制，（反）鐵磁有序性可以由電場控制。 因此，這一基本物理性質在多場控制、自動化、自旋電子學、傳感和能源等領域具有重要的基礎研究意義和應用價值。 由于自支撐多鐵氧化物薄膜或二維系統的不穩定性和脆弱性，傳統方法限制了相關的檢測和研究，使得表征、研究機制以及耦合這些同時的電磁排序和耦合成為可能。 效果調節變得相當具有挑戰性。
中國科學院物理研究所光學物理重點實驗室/北京凝聚態物理國家研究中心研究員金奎娟研究組和中國科學院院士楊國楨研究組致力于使用光學二次諧波發生（SHG）表征和檢測來揭示復雜氧化物薄膜的特性。 空間反演不對稱性、極化耦合、鐵電有序演化等物理研究。 近年來，金奎娟團隊先后聚焦于二次諧波檢測異質結表面和界面的空間對稱性破缺。 SHG檢測了具有超高熱電性能的氧化物鐵電薄膜的鐵電相演化（與華中科技大學張光祖團隊合作），開展ClO4分子結構對稱性破缺的研究。 研究人員自主研發了寬溫度范圍、高真空、多氣體環境SHG光學探測平臺，并與清華大學林元華教授、中科院南策文院士團隊合作，對弛豫鐵電薄膜進行了探測實時原位摻釤薄膜——中國 偏振耦合演化發現并證實了具有超高儲能密度的超順電態。 上述結果為開發更先進的倍頻方法來研究多鐵系統中的磁電耦合奠定了基礎。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心L03組博士生徐帥與研究生王杰蘇（現任北京量子信息科學研究所副研究員） ）在金奎娟的指導下，采用脈沖激光沉積方法制備了多鐵性外延（BFO）薄膜和自支撐BFO薄膜，并利用寬溫范圍SHG技術和外磁場研究了多鐵性BFO薄膜的磁電耦合效應。場地。 該團隊系統探索了不同應力控制下BFO薄膜在外磁場和溫度下鐵電有序和反鐵磁有序的演變初中物理磁電，并與物理所白學東研究員課題組陳攀博士合作初中物理磁電，利用透射電子顯微鏡獲得不同應力控制下薄膜中鐵電有序的演變。
研究人員定義了一個光磁電耦合常數，代表通過磁場控制多鐵材料中光致非線性偏振的能力。 研究表明，應變釋放后，自支撐BFO薄膜中光磁電耦合常數的絕對值減小，反鐵磁有序性和鐵電有序性均受到抑制。 研究發現，自支撐BFO薄膜中的光磁電耦合常數與在襯底上外延生長的薄膜中的光磁電耦合常數大小相同，表明磁電耦合效應對應變釋放具有魯棒性。 該研究在外延BFO薄膜中觀察到尼爾溫度（反鐵磁-順磁轉變溫度點）為618 K的一級相變，在自支撐BFO薄膜中觀察到飽和磁矩。 與外延BFO薄膜相比，一級相變發生了約7次。 后者主要歸因于與電子自旋軌道耦合相關的相互作用的變化。 此外，研究發現自支撐BFO薄膜中的強磁電耦合效應在室溫下仍然存在，表明其未來在柔性多功能器件中的潛在應用。 上述結果證明了SHG方法對于自支撐多鐵性薄膜或二維系統中的鐵電和反鐵磁有序等物理性質的原位無損檢測的靈敏度和有效性。
近日，相關研究成果在線發表于《自然通訊》（ ），題為《by》。 該研究工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金委的支持。 北京大學的研究人員參與了這項研究。
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圖1 自支撐BFO薄膜的制備及鐵電性能表征
圖2. 寬溫度范圍（各向異性）和外磁場（H）下的各向異性SHG測試
圖3. MH和外部磁場的SHG測試
