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电磁感应与量子学电磁体 0 磁电内馈的磁电效应 经典的电磁学理论表明，改变的磁体h产生电子场，运动的负荷或电流可能会产生磁体，即电磁感应。这是电磁合作最直观的表现形式。磁场H可以诱发电极化P,反之电场E可以诱发磁化M,称作线性磁电效应ME(Magnetoelectric effect),简称磁电效应,是电磁耦合的另一种表现方式,由P.Curie于1894年将电磁(Electromagnetic)现象从真空类推到固体介质中后提出。交流电场可以激发自旋波(Spin wave)产生一种元激发子(Elementary exciton),即电磁振子(Electromagnon),是电磁耦合在量子电动力学范围内的表现形式。最近,Y.Tokura基于在螺旋自旋(Spiral spin)结构的磁体中发现铁电性的实验结果[3~5],提出了量子学电磁体(Quantum Electromagnet)的概念。电子自旋的特殊排列形式可以引起铁电自发极化的出现,从而使得铁电有序和磁性有序(包括铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性)可以共存于所谓的磁电(Magnetoelectric)多铁性体(Multiferroic),或曰铁电磁体(Ferroelectromagnet)之中。电极化和磁化通过内禀的磁电效应相互耦合在一起,为下一代多功能电子学信息记录器件的设计提供了一个额外的自由度。研究人员已经在铁电磁体中成功实现了外磁场对电极化矢量和外电场对磁化矢量的控制和反转,使得电场(磁场)控制的磁(铁电)数据存储成为可能。 1 铁电体化合物的合成 人工合成铁电磁体的研究最早可追溯到上世纪50年代末和60年代初,前苏联科学家在探索新的铁电体的过程中发现钙钛矿结构的铁电体中含有相当数量的铁离子,这使他们有理由相信这些钙钛矿结构的化合物可能同时具有铁电性和(反)铁磁性。于是他们用磁性阳离子部分取代ABO3钙钛矿结构氧化物铁电体中的B位非磁性阳离子,得到了一系列B位阳离子呈有序或者无序分布的双钙钛矿结构的铁电磁体。如前所述,磁性有序由电子自旋的交换相互作用主导,而铁电有序由晶格中电荷密度的重新分布造成。在钙钛矿结构的化合物中,B-O-B键角接近180°。因此,当过渡金属离子占据B位时,它们可以通过O2-发生间接交换相互作用而有序排列。在经典的铁电性理论框架中,钙钛矿晶格中的铁电有序主要起源于A位和B位阳离子偏离配位多面体中心的位移,从而造成正负电荷中心不重合产生电极化。具有6s2孤对电子结构的A位阳离子(Tl+,Pb2+,Bi3+)亚格子和具有惰性气体电子壳层结构的B位过渡金属离子(Ti4+,Zr4+,Nb5+,W6+,Mo6+)亚格子的存在有利于铁电有序的发生。按照上述思路,他们合成出第一种单相铁电磁体Pb(Fe2/3W1/3)O3和第一种铁电性与磁性共存的固溶体(1-x)Pb(Fe2/3W1/3)O3+xPb(Mg1/2W1/2)O3,后来相继开发出Pb(Fe1/2Nb1/2)O3,Pb(Mn2/3W1/3)O3,Pb(Mn1/2Re1/2)O3,Pb(Mn1/2W1/2)O3,Pb(Fe1/2Ta1/2)O3,Pb(Fe1/2Re1/2)O3,Pb(Co1/2Re1/2)O3,Pb(Ni1/2Re1/2)O3和Pb(Co1/2W1/2)O3。到20世纪80年代初,已经合成和发现了50多种铁电磁体化合物和三十多种铁电磁性的固溶体。从1973年到2003年共举办了五届“晶体中的磁电相互作用现象(Magnetoelectric Interaction Phenomenon In Crystals)”(MEIPIC-1—MEIPIC-5)国际会议[11~15],总结了铁电磁体过去几十年的发展情况。本世纪初以来一系列重大历史性发现的问世,标志着铁电磁体的研究进入了一个蓬勃发展的复兴时期。 2 铁电体的杂化成矿原理 N.A.Hill领导的研究小组通过第一性原理电子结构计算认为,产生磁性所必需的过渡金属元素未填满的d电子壳层结构(dn)削弱了诱发铁电性所必需的过渡金属阳离子(d0)偏离配位多面体中心发生位移的趋势,或者说二者是互相对立的,从而阐明了铁电磁体数目如此匮乏的物理机制。铁电体区别于非铁电体之处在于p-d电荷杂化对原子位移的超敏感性,这就需要沿铁电畸变方向取向的d电子轨道必须是零占据的,而磁性需要d电子轨道必须是部分占据的。大部分磁性钙钛矿是中心对称的立方或者正交结构,而钙钛矿结构的铁电体必须是非中心对称的。因此,要使铁电性和磁性能同时共存于一个单相材料中,必须有一个既能满足铁电性的晶体结构对称性条件,又能满足磁性的电子壳层结构条件的额外驱动力。 2.1 ba2+-o2-pbtio3发酵整理工艺 这种铁电机制是IV-VI族元素化合物(如GeTe)和Bi-基钙钛矿结构化合物(如B