吉林大学物理学院物质模拟方法与软件教育部重点实验室马琰铭院士团队的赵宏健教授与美国阿肯色大学物理系Laurent Bellaiche教授等学者合作，在氧化铪材料电矩间交换作用机制方面取得新进展。研究成果12月8日在线发表于Nature Communications [14, 8127 (2023)]。
图1 氧化铪材料中的ωPX三线性耦合示意图。其中，氧亚晶格的ω畸变模式衍生出电矩反对称和对称各向异性交换作用。
为解释反铁磁体中的弱铁磁性，物理学家Igor Dzyaloshinskii和Tôru Moriya于上世纪中叶建立了磁矩反对称交换作用和对称各向异性交换作用理论。这两类交换作用引发非共线磁矩排布，是驱动磁涡旋、磁麦韧和磁斯格明子等磁性拓扑态的重要机制。近年来，科研人员陆续在铁电材料中发现了电矩涡旋、电矩麦韧和电矩斯格明子等铁电拓扑态。然而，铁电拓扑态通常起源于材料表界面的退极化场，而非电矩间的交换作用；是否存在电矩反对称和对称各向异性交换作用则长久以来模糊不清。
2020年，赵宏健教授与合作者证明了电矩反对称交换作用的存在性[成果发表于Nature Materials 20, 341-345 (2021)和Phys. Rev. B 106, 224101 (2022)]。尽管如此，承载电矩反对称交换作用的材料体系依然稀缺，且电矩间是否存在对称各向异性交换作用仍未明确。
近期，研究团队确认氧化铪是承载电矩反对称和对称各向异性交换作用的候选材料体系。对称性分析和第一性原理计算表明，氧化铪呈现出丰富的非共线电矩排布状态。通过建立三线性耦合模型，研究团队证实氧化铪的非共线电矩结构源于氧亚晶格结构畸变，该畸变衍生出电矩反对称和对称各向异性交换作用（图1）。在此基础上，研究团队进一步揭示了磁矩耦合模型和电矩耦合模型的相似性。这项研究有望加深对凝聚态物质中电磁理论的理解，并暗示了在氧化铪材料中发现新奇物态（如电矩斯格明子）的可能性。
吉林大学物理学院物质模拟方法与软件教育部重点实验室的於隆炬博士研究生为本文第一作者，赵宏健教授和马琰铭院士为本文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目的资助，相关计算在吉林大学高性能计算中心完成。
