磁电耦合通常存在于多铁体系中，即铁电有序性可以由磁场控制，（反）铁磁有序性可以由电场控制。 因此，这一基本物理性质在多场控制、自动化、自旋电子学、传感和能源等领域具有重要的基础研究意义和应用价值。 由于自支撑多铁氧化物薄膜或二维系统的不稳定性和脆弱性，传统方法限制了相关的检测和研究，使得表征、研究机制以及耦合这些同时的电磁排序和耦合成为可能。 效果调节变得相当具有挑战性。
中国科学院物理研究所光学物理重点实验室/北京凝聚态物理国家研究中心研究员金奎娟研究组和中国科学院院士杨国桢研究组致力于使用光学二次谐波发生（SHG）表征和检测来揭示复杂氧化物薄膜的特性。 空间反演不对称性、极化耦合、铁电有序演化等物理研究。 近年来，金奎娟团队先后聚焦于二次谐波检测异质结表面和界面的空间对称性破缺。 SHG检测了具有超高热电性能的氧化物铁电薄膜的铁电相演化（与华中科技大学张光祖团队合作），开展ClO4分子结构对称性破缺的研究。 研究人员自主研发了宽温度范围、高真空、多气体环境SHG光学探测平台，并与清华大学林元华教授、中科院南策文院士团队合作，对弛豫铁电薄膜进行了探测实时原位掺钐薄膜——中国 偏振耦合演化发现并证实了具有超高储能密度的超顺电态。 上述结果为开发更先进的倍频方法来研究多铁系统中的磁电耦合奠定了基础。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心L03组博士生徐帅与研究生王杰苏（现任北京量子信息科学研究所副研究员） ）在金奎娟的指导下，采用脉冲激光沉积方法制备了多铁性外延（BFO）薄膜和自支撑BFO薄膜，并利用宽温范围SHG技术和外磁场研究了多铁性BFO薄膜的磁电耦合效应。场地。 该团队系统探索了不同应力控制下BFO薄膜在外磁场和温度下铁电有序和反铁磁有序的演变初中物理磁电，并与物理所白学东研究员课题组陈攀博士合作初中物理磁电，利用透射电子显微镜获得不同应力控制下薄膜中铁电有序的演变。
研究人员定义了一个光磁电耦合常数，代表通过磁场控制多铁材料中光致非线性偏振的能力。 研究表明，应变释放后，自支撑BFO薄膜中光磁电耦合常数的绝对值减小，反铁磁有序性和铁电有序性均受到抑制。 研究发现，自支撑BFO薄膜中的光磁电耦合常数与在衬底上外延生长的薄膜中的光磁电耦合常数大小相同，表明磁电耦合效应对应变释放具有鲁棒性。 该研究在外延BFO薄膜中观察到尼尔温度（反铁磁-顺磁转变温度点）为618 K的一级相变，在自支撑BFO薄膜中观察到饱和磁矩。 与外延BFO薄膜相比，一级相变发生了约7次。 后者主要归因于与电子自旋轨道耦合相关的相互作用的变化。 此外，研究发现自支撑BFO薄膜中的强磁电耦合效应在室温下仍然存在，表明其未来在柔性多功能器件中的潜在应用。 上述结果证明了SHG方法对于自支撑多铁性薄膜或二维系统中的铁电和反铁磁有序等物理性质的原位无损检测的灵敏度和有效性。
近日，相关研究成果在线发表于《自然通讯》（ ），题为《by》。 该研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的支持。 北京大学的研究人员参与了这项研究。
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图1 自支撑BFO薄膜的制备及铁电性能表征
图2. 宽温度范围（各向异性）和外磁场（H）下的各向异性SHG测试
图3. MH和外部磁场的SHG测试
