南京大学杨玉荣课题组与美国阿肯色大学、复旦大学等单位合作，在多铁性材料、电控磁材料研究中取得新进展，相关成果以“Electric-Field Control of Magnetization, Jahn-Teller Distortion, and Orbital Ordering in Ferroelectric Ferromagnets”为题发表在Physical Review Letters上（DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.247701）。

图1. PbTiO₃/LaTiO₃超晶格中主要的结构畸变。（a）沿面内a轴方向的极化畸变 P，（b）面内反向氧八面体旋转Φxy，（c）面外同向氧八面体旋转Θz，（d）Jahn-Teller晶格畸变Q。

多铁性材料是近年来凝聚态物理、材料物理领域的研究热点，在存储、传感等电、磁领域有巨大应用前景。虽然目前存在不同类型的多铁性材料，即I型多铁（如BiFeO₃）、II型多铁（如TbMnO₃）、杂化非本征多铁等，但是它们中的大多数都只有很弱的净铁磁，电场控制强铁磁的单相材料从未实现。另外，Jahn-Teller结构畸变是材料中另一有趣的现象，它和轨道序、巨磁阻、超导和强电子关联性质密切相关。通过外电场调控材料的Jahn-Teller效应及其他电子特性是另一具有重要价值的研究内容。

图2. （a）铁磁沿a轴与b轴方向的能量差，氧八面体扭转角度和电极化随电场的变化，（b）Ti3+阳离子的磁轴通过电场调控翻转90°的示意图，（c）Jahn-Teller畸变，氧八面体扭转角度和电极化随电场的变化，（d）费米面至其以下0.5 eV范围内的电荷密度分布。

其中（a）（b）电场沿-b轴方向，即垂直于初始极化方向；（c）（d）电场沿a轴方向，即反平行于初始极化方向。

该研究团队在PbTiO₃/LaTiO₃等超晶格实现了电场控制强铁磁性质，同时，利用电场也可控制的Jahn-Teller畸变和轨道序。具体来说，PbTiO₃/LaTiO₃超晶格不仅仅是具有多铁性，同时具有强电极化和强铁磁，还具有Jahn-Teller效应和轨道序。在电场的作用下，这种强铁磁的方向可以90°翻转，甚至可以180°完全逆转。更为令人惊叹的是，Jahn-Teller畸变和轨道序可以随着电场方向的改变而发生翻转。因此，这些新奇的发现将为调控磁性、磁电耦合和强关联电子特性打开一扇新的大门。