磁电里的乾坤 开拓中的征程——记中科院物理所孙阳研究员

本刊记者 王 翩

从事着一份热点交叉学科的科研工作，开拓着一片新兴的前沿科研领域，建立着一支逐渐强大的研究团队，再加上一颗探索不息的热忱之心，这就是海归研究员孙阳回国几年后目前的状态。今天，让我们带着鼓励和期待来走进多铁性材料，来认识磁电里的乾坤；走进孙阳研究员，来了解这开拓中的征程。

关注热点，开拓国内磁电耦合效应研究

2004年，孙阳完成美国的博士后学习后，在中科院物理所所长王恩哥的邀请和鼓励下，入选了中科院“引进国外杰出人才计划”，回到国内，加入到磁学国家重点实验室，成为物理所最年轻的研究员之一。回国后，他一方面继续从事原来的研究方向，同时也在积极探寻新的研究领域。2004年，日本与美国科学家在一类钙钛矿氧化物中先后发现了多铁性与磁电耦合效应，引起了国际上广泛的关注，孙阳很快意识到这一发现的重要性，加上在研究生和博士后期间已经对钙钛矿复杂氧化物的磁电性质有过一定的研究基础，因此，他决定把未来研究的重点逐渐转移到多铁性与磁电耦合效应这一新兴领域。

多铁性材料是指同时具有铁电性、铁磁性、铁弹性三种有序现象中的两者或全部的一类新型材料。其中磁电多铁性材料是指同时具有铁磁性和铁电性、如果两种有序不仅共存而且具有较强的磁电相互耦合，就可以实现用电场来控制材料的磁性质以及用磁场来改变材料的电学性质。虽然早在上世纪60年代，人们就发现了一些具有磁电耦合效应的材料，但是由于耦合系数非常小，没有引起太多的关注。直到2004年前后，在钙钛矿锰氧化物中相继发现了一系列具有强磁电耦合的新型多铁性材料，从而掀起了多铁性材料及磁电耦合效应的研究热潮。短短几年时间里，仅在国际顶级科技期刊上发表的相关研究论文就有上百篇。在近年的凝聚态物理和材料领域的重要国际学术会议上都设有多铁性材料的专题。美国《Science》杂志在2007年度展望中，把多铁性与磁电耦合效应列为未来最值得关注的七个研究领域之一。

“虽然多铁性与磁电耦合效应的研究正成为凝聚态物理和材料科学的热点，但是该领域仍然处于起始探索阶段。”孙阳这样告诉记者。首先，从材料研究角度来看，目前已知的多铁性材料绝大部分都是反铁磁有序，并且磁有序温度很低，耦合效应较弱，远远达不到实际应用的要求；其次，多铁性的起源和磁电耦合的物理机制涉及到多种基本自由度的关联耦合，是一个复杂的物理过程，对于不同的体系，由于晶体结构、磁结构、离子价态等的不同，其多铁性的起源和磁电耦合机制可能完全不同；同时，磁电耦合导致的新的物理效应还有待于去认识和发现。因此，该领域无论是在新材料探索还是物理研究方面都有着巨大的发展空间。

奋发拼搏，谱写多铁性材料研究新篇章

根据铁电性起源的不同，多铁性材料可以分为不同的种类。研究伊始，孙阳选择了电荷有序导致的多铁性体系。很快，他和其他成员在电荷有序多铁性材料的研究取得了一系列进展。首先，他们重点研究了电荷有序的RFe2O4化合物，发现了巨介电调谐效应、巨电致电阻效应、脉冲电场控制磁化强度等新的物理效应，并提出了电场驱动磁性驰豫的物理模型。此外，他们首次在实验上验证了一个重要的理论预言，证明了半掺杂电荷有序锰氧化物中存在多铁性。这些研究结果相继发表在美国物理学会出版的《应用物理快报》、《物理评论》等国际著名期刊上，并多次在国际学术会议上就多铁性材料的研究做邀请报告和口头报告。2010年12月在韩国举办的亚洲磁学联盟国际会议上做了30分钟的邀请报告，2010年9月在国际材料联合会亚洲会议上做了25分钟的分会邀请报告，2010年11月在美国举行的第55届磁学和磁性材料大会上做了15分钟口头报告。此外，孙阳还受邀在美国德克萨斯大学达拉斯分校自然科学学院做了1小时的专题讲座(Physics Colloquium)。基于他在电荷有序多铁性材料与磁电效应的研究成绩，美国新星科学出版社邀请其为学术专著《Ferroeletrics: New Research》撰写其中的一章“Electronic Ferroelectricity and Magnetoelectric Effects in Charge Ordered Oxides”。

最近，孙阳等人又在其他新型多铁性材料的研究中取得了重要进展，如发现了一类具有螺旋磁有序的六角铁氧体材料，具有高温下超灵敏的磁电效应，只需要施加几十高斯的磁场就能控制电极化强度的大小和方向。其磁电耦合系数是目前已知单相材料中最高的之一。另外，他们最新的研究工作表明在一些有机材料中也存在着多铁性与磁电耦合效应。

放眼未来，会当激起千层浪

2010年初，在磁学国家重点实验室主任沈保根院士的支持下，孙阳研究员成立了一个全新的研究组，专注于多铁性与磁电耦合效应的研究。目前，研究组已经从国外引进了两名青年科研骨干，今后继续通过引进国外优秀的青年人才，围绕新材料探索、物理效应研究、实验技术发展三方面展开研究，有望在国内多铁性领域打造一个具有特色的研究团队，并期待形成一定的国际影响力。

孙阳研究员介绍说，目前已知的多铁性材料主要是一些过渡金属氧化物，未来他们将探索非氧化物的多铁性材料，如硫化物，氮化物，甚至有机多铁性材料，目标为发现几种新型多铁性体系，使多铁性有序温度能够接近或达到室温，表现出较强的耦合性能，并在发现新材料的基础上，设计一些新型磁电功能器件。

多铁性材料为基础物理研究提供了丰富的素材。孙阳等人将研究不同多铁性体系中磁电耦合的物理机制，包括静态和动态的磁电耦合、磁电耦合下新的物理效应和物理规律。他们将利用中子散射技术研究多铁性材料中复杂的磁结构和自旋关联，通过与理论研究组合作，结合实验结果，提出有效的磁电耦合微观物理模型。

由于磁电耦合效应的实验测量需要克服许多技术难题，目前还没有商业化的实验仪器来直接用于测量磁电耦合效应。因此，对磁电耦合效应的实验研究必须通过自主研制测量仪器来实现。目前，孙阳等人正在自主研制建设一套多功能磁电耦合效应测量系统，可以进行宽温区、宽频域、强磁场下的各种磁电耦合效应的测量。

尽管在他一直谦虚地说自己还没有做出什么突出的成绩，但笔者认为，既然孙阳研究员锁定了多铁性材料以及磁电耦合效应这一研究方向，又充分具备了科研条件和人才优势，再加上不懈的努力、辛勤的耕耘，假以时日，必将在科研领域结出累累的硕果。