选择强关联体系作为研究对象有一些年了，对其中的交换作用总是局部很清晰，总体很糊涂。最近又开始接触多铁材料，更是像面汤里面撒面粉——更糊了。“multiferroism”这个词汇被创造是为了描述某一特殊的体系，在该体系里面同时拥有两种或者两种以上的诸如铁电、（反）铁磁、铁弹性等的性质。这类材料在记录元器件，探测传感等方面有着极大的潜在应用价值，近来形成了小股的研究热潮。对于，德国的Fiebig 用了rivive一词来描绘，理由在于该类材料在上个世纪六十年代曾经被集中研究过一段时间。值得一提的是，那个年代的主力军是咱们的老大哥——苏联【JAP 35,915(1964)】。

应用作为向导（或者借口），物理本质探索为实质，这一直是基础研究论文的模式。在钙钛矿多铁材料体系里面，有一个非常有趣的物理现象值得探寻，那就是多铁共存的机制。为什么有趣呢？【其实对于这个问题我也不能很好的回答。】用最为朴素的话来说，以前的研究表明在钙钛矿结构材料中，铁电相的稳定需要体心过渡族金属原子的d轨道是空的，便于被八面体顶角处的氧原子2p轨道杂化，在原子偏离中心对称位置的情况下，该轨道杂化形成长程电极化序，进而表现整体的自发磁化。其铁磁的形成则正好相反——体心过渡族金属原子的d轨道必须有所填充。根据Stone的交换模型，电子自旋有序排列的能量来自相邻原子d电子的交换作用。当交换能与电子能带宽度相比拟的时候，就有可能形成自旋序。因此，我们很难期望在同一钙钛矿氧化物中能同时发现铁磁与铁电。这是个矛盾！也是个有趣的挑战。

事实上，很多特例从某种程度上颠覆了上述原则。比如在YMnO₃中发现反铁磁与铁电共存并相互影响（Nature 419， 818（2002））；磁性TbMnO₃中发现弱的铁电极化（Kimura et al. Nature 426, 55(2003)），应力薄膜状态的BiFeO₃竟然具有室温铁磁、铁电共存相（Science 299，1719（2003）），高压下的BiMnO₃也存在该类共存(Chem. Matt. 13,2892(2001))。这些已发现的多铁材料已被欧美以及日本的高手们分析了个遍。对于Bi系列，加州大学的N. A. Hill提出了Bi³⁺离子中6s²孤立电子对作用模型，该模型似乎已被广泛接受。对六角晶系的YMnO₃系列，他也曾提出了修正的d⁰-ness模型对其进行解释。具体而言，他认为Mn³⁺离子特殊的5配位状态以及温度降低引起Mn-O六面体偏转，使得Mn的d电子轨道占据与立方钙钛矿体系完全不同，其dz²轨道由于能量较高，与xy面内轨道形成带隙并空占据，满足特殊的d⁰-ness模型。但该模型在荷兰博士Aken 2004年发表的Nature Materials 中并未被采纳，甚至被其理论加实验提出的新模型完全颠覆。Aken的新模型认为Mn-O六面体偏转本身并不产生电极化，其作用只是使得A位的Y原子在z方向移动，进而导致Y-O原子之间的间距有拉大和缩短的趋势。正负离子对于对称中心位置的偏移导致了自发极化的产生。他们的结果支持铁电相的渐变模式：即在1000多K时候结构发生变化，但真正的铁电相出现在700多K之后。但是这一中间相模式还在争论当中，美国人和德国人似乎还在为此打仗。

上个月去参加日本物理年会，由于语言不通，只听了个大概，记住了几个名称而已。其中重点关注一下多铁。从材料来看，除了一些上个世纪60年代就以被发现的材料之外，目前研究的新的多铁材料基本都是日本人发现的（比如TbMnO₃等螺旋系列）。不得不佩服他们在新材料探索方面的成功之处。返回正题！在年会上有两类多铁材料被报道的最多，一是Ba₂Mg₂Fe₁₂O₂₂系列:与TbMnO₃类似，螺旋的自旋结构产生电极化（PRL 94,137201(2005); Science 319, 1643(2008))。这一类材料的研究中有著名的Tokura教授的身影。另一类是缺氧的双钙钛矿结构YBaCuFeO₅系列，由名古屋大学的佐藤正俊教授领衔。目前，Tokura教授小组在第一类螺旋结构多铁材料的磁电相互调制方面似乎取得了突破性的进展。大家可以关注一下最近是否有他的好文章出现。

近来，韩国几个小组分别在多铁薄膜、多铁单晶中子衍射方面做了一些非常出色的工作（Nature 451,805(2008); Advanced Materials 18, 3125(2006)）。提到铁电薄膜，不得不提剑桥大学的J. F. Scott。这位大胡子老先生最近似乎对BiFeO₃特别中意。他曾说它是多铁中的“Holy Grail”(Science 315, 954 (2007))，最近又在Advanced Materials发表了长篇综述“Physics and Applications of Bismuth Ferrite”，虽然BiFeO₃应力薄膜的始作俑者Wang先生似乎已承认Science文章有误（见于剑博士的博客）。

从对称破缺的角度看，铁电相变来自空间反演对称性的破缺，而磁性源于时间反演对称性的破缺。要想实现两者的共同存在，甚至相互作用，就必须考虑两者对称性的结合。从表象来看，结构相变似乎是铁电的必要条件，但它却不是磁性的必要条件。因此，有一种思路是不是可以这样考虑：如果磁相变能创造出结构相变（magneto-eleatic），就有可能实现铁电性。从这一思路出发，我比较看好螺旋结构的多铁材料。

Y. Tokura et al. J. Magn Magn Mater,  310: 1145 (2007)

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