电与磁共舞：多铁材料中的秩序与涌现

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人类对磁性的认识由来已久。

我们熟悉的指南针，正是依靠磁针响应地磁场来指示方向。而这种响应能力，源于材料内部大量微观磁矩的有序排列。由于早期被认识和使用的磁性材料通常含有铁，这类能够产生自发磁化的材料被称为铁磁体，其性质则称为铁磁性。“铁性”概念正是由铁磁性抽象而来。这里的“铁”并不要求材料含有铁元素，而是指一种更普遍的物理特征：材料内部存在某种可自发形成、并能被外场翻转的有序状态。例如，铁磁体中有序排列的是电子磁矩，铁电体中可翻转的是电偶极矩。

那么，如果一种材料同时拥有两种甚至多种这样的“铁性”有序，并且它们彼此耦合，会发生什么？这便是“多铁材料”引人入胜的地方。在多铁体系中，电、磁、晶格不再各自独立，而可能像彼此牵连的齿轮一样相互影响：电场不仅能改变电极化，也可能调控磁性；磁场不仅能改变磁矩排列，也可能诱导电极化响应。

多铁材料为我们提供了一条理解物质深层规律的路径：电子的电荷、自旋、轨道与晶格自由度如何相互纠缠？对称性如何决定一种有序能否存在？外场又如何在微观尺度上改写材料的宏观性质？对这些问题的回答，正在推动凝聚态物理向更深处发展。与此同时，它们也可能指向现实而迫切的技术目标：更低功耗的磁电存储器件、更高速度的信息处理单元。

Sang-Wook Cheong教授｜倒放时间中的手性

美国罗格斯大学教授 Sang-Wook Cheong

Sang-Wook Cheong是美国罗格斯大学教授，长期探索量子材料中电与磁的奇妙互动。这次演讲，他带来了量子材料中的“手性三重奏”：手性、素手性（chirality prime）和时间手性。

这里的“手性”，可以理解为物体与其镜像不同：就像左手和右手，彼此相似，却无论怎样旋转都无法完全重合。时间手性则把这种不对称性延伸到时间维度：如果将微观过程“倒放”，例如反转磁矩方向，某些材料状态仍无法通过简单的空间旋转回到原样。

最特别的是素手性。它的空间结构本身不对称；单独反转内部磁矩方向时，体系也不能恢复原状。但如果同时反转空间结构和磁矩方向，体系反而能够与原来的状态相对应。Cheong指出，这种素手性可以隐藏在电与磁的耦合关系中。例如，用电场诱导磁性响应时，响应方向是“同向”还是“反向”，就可能成为识别不同素手性状态的线索。通过这一视角，Cheong希望展示在量子材料中，电、磁、空间与时间可以交织出远比直觉更丰富的物质秩序。

吴从军教授｜相互作用中的磁性涌现

西湖大学物理系讲席教授 吴从军

西湖大学物理系讲席教授吴从军长期研究新奇物态，擅长从看似复杂的现象中寻找简洁的物理规律。

在报告中，他介绍了一类由超导态分类思想延伸而来的非常规磁性，试图在传统铁磁、反铁磁之外建立更一般的磁性分类框架。在普通铁磁体中，微观磁矩大多沿同一方向排列，从而形成宏观磁化。而在近年来受到关注的交错磁体中，整体几乎没有净磁化，电子能带却仍可能出现自旋相关的能量差异，并且这种差异会随电子运动方向而变化。

二十多年前，吴从军与合作者曾从电子关联效应出发，提出电子间相互作用可能驱动费米面失稳，进而催生超出传统分类的非常规磁性。会上，他沿着这一思路，进一步解释了交错磁性与更广泛非常规磁性之间的联系。

他还讨论了一个备受关注的问题：为什么不同实验研究对二氧化钌是否具有磁性存在分歧？一个可能的原因是，二氧化钌或许接近磁性相变的“门槛”，样品质量、应变、缺陷或测量条件的细微差异，都可能导致不同的实验结果。这也呼应了非常规磁性由电子相互作用驱动、并从关联效应中涌现的特点。

木村刚教授｜给赤铁矿加上电场，让隐藏的磁性“显影”

东京大学教授 木村刚

木村刚（Tsuyoshi Kimura）是东京大学教授，长期研究电与磁如何相互影响，曾与合作者发现利用磁场控制材料电极化的重要现象。

这次演讲，他研究的是常见的赤铁矿（α-Fe₂O₃）。它内部不仅有磁矩的反向排列，还可能隐藏着更复杂的磁性分布，称为“磁多极矩”。这些结构不能简单理解成小磁针朝上或朝下，普通测量也很难将其辨认出来。

团队的办法是施加电场，再用X射线观察。电场使铁离子相对氧离子产生极微小的位移，打破原有的空间对称性，让原本难以探测的磁性特征进入X射线吸收信号。研究再结合光的偏振、磁畴状态和理论计算，辨认其中的磁多极矩贡献。由此，团队把电场变成一种“显影工具”，追踪内部更精细的磁性排列，为研究其他反铁磁材料提供新的测量思路。

Jong Seok Lee教授｜创造一块带“正负极”的金属

韩国光州科学技术院教授 Jong Seok Lee

Jong Seok Lee，韩国光州科学技术院教授。这次他关注的是一对长期被认为难以共存的性质：金属性与极性。金属中存在大量可自由移动的电子，它们会屏蔽内部电场，使稳定的宏观极化难以形成。因此，既导电又具有极性结构的极性金属长期被认为虽然原则上允许，却在实际材料中很难实现。

Lee的思路是通过外延应变、维度限制和界面调控打破反演对称性。他将RuO₂薄膜生长在TiO₂衬底上，并将厚度降低到约2纳米；在这种约束下，钌离子相对于氧八面体发生微小位移，使材料在保持金属性的同时出现极性结构，并在约500 K附近表现出磁相变。他还利用光进行超快调控：在特定取向的SrRuO₃中，用特定能量和偏振的光选择性激发部分Ru-4d轨道电子，从而在飞秒尺度上调控极化状态。

刘俊明教授｜让电极化“打起旋儿”来

南京大学物理学院教授 刘俊明

南京大学物理学院教授刘俊明近年来重点关注铁电材料中的拓扑极化结构。所谓极性涡旋，可以理解为铁电体内部的极化矢量在空间中连续旋转，形成首尾相接的环状结构。相比之下，反涡旋更难实现。涡旋与反涡旋可视作拓扑结构中一组相互对应的基本单元，但反涡旋通常具有较高能量，长期主要停留在理论预言中。

刘俊明团队的思路是从材料体系入手。BiFeO3的自发极化方向更加多样，为稳定反涡旋提供了有利的条件。团队在BiFeO3/DyScO3超晶格中实现了涡旋-反涡旋阵列。更重要的是，该阵列在室温以上保持稳定，并可在外加电场下实现可逆翻转。由此，铁电拓扑结构从单一涡旋拓展到涡旋-反涡旋对，补上了这一拓扑家族中长期缺失的一环。

陈景升教授｜更好的存储芯片，从几个原子层开始

新加坡国立大学教授 陈景升

来自新加坡国立大学的陈景升教授，主要研究面向信息存储应用的氧化物薄膜。他关注的氧化铪基铁电体与现有芯片工艺兼容性较好，但其铁电性主要来源于特定的正交晶相。这一晶相并非最稳定结构，因此在薄膜制备过程中容易转变为其他非铁电晶相。

报告介绍了两种稳定铁电相的策略。第一种是调控下方镧锶锰氧电极的表面终止层及界面电荷转移，从而提高铪基薄膜中铁电相的比例。第二种是在氧化铪基多层膜中利用应变效应稳定特定晶体结构，以获得较高的极化。这项工作表明，决定氧化铪基薄膜铁电性能的因素不只是材料组分，还包括界面附近几个原子层的结构、电荷状态，以及薄膜所承受的晶格应变。

王峻岭教授｜电场怎样给磁振子规划路线？

香港城市大学物理系讲席教授 王峻岭

香港城市大学物理系讲席教授王峻岭关注如何在铁酸铋中产生、传输并读出磁振子，使信息随自旋的集体激发传播，从而减少对电荷输运的依赖。团队利用电场翻转铁电畴，并借此调控与其耦合的磁结构。报告显示，磁振子相关信号会随传播方向和畴结构而变化。当传播路径跨越多道畴壁时信号较弱，而沿条纹畴方向、尽量避开畴壁时信号较强。这一现象与畴壁散射磁振子的图像相一致。

他也介绍了实验测量中的若干挑战。例如，目前主要检测到的是由电极焦耳热激发所产生的二次谐波信号，而尚未获得明显的、由自旋积累直接激发的信号。此外，电极几何错位引起的普通热电压也可能混入背景信号，需要在数据分析中加以区分。

本次大会优秀海报奖

为期三天的第17届APCTP多铁材料研讨会落下帷幕，电与磁的故事还在继续。

本次研讨会指向了一个核心问题：材料中的电、磁、晶格与自旋如何相互耦合，又如何被外场精确调控。新的对称性判据帮助研究者筛选候选材料，先进显微与输运测量正在捕捉微观有序结构，第一性原理计算和理论模型则为实验结果提供解释与预言。

这场相聚也留下了一系列仍待回答的问题：哪些有序态能够在室温下稳定存在？电场能否高效、可逆地控制磁性？这些微观耦合又能否真正进入低功耗信息器件？对这些问题的继续追问，也将成为多铁材料研究下一阶段的重要起点。

致谢

本次研讨会的顺利举办，离不开西湖大学理学院物理系、本地组委会及西湖大学物理系刘仕课题组成员的大力支持。刘仕负责会议组织与统筹工作，陈艳艳担任会议秘书，樊迪、刘袁今生、李德楠、朱天元、徐佳诚、王世豪等志愿者积极参与会务保障。