近日，Nature主刊邀请上海大学理学院物理系教授、钱伟长学院副院长任伟在Nature上撰写发表News & Views Article，文章题为“Topology turns the crank on magnetoelectric switch”，介绍了凝聚态物理领域中关于多铁性材料在实验上的最新进展。任伟教授为文章的第一作者，合作者为美国阿肯色大学Laurent Bellaiche教授。Nature 607, 34-36 (2022) 发表日期：2022年7月6日。
多铁性物质作为一种新型多功能的量子材料，在自旋电子学和信息科学领域有着广阔的潜在应用前景。实现铁电性和磁性互相耦合调控，将有助于实现磁电开关以及存储等器件小型化和集成化。近年来，REMn2O5（RE为稀土元素）这一体系在磁场作用下表现出新奇的电极化效应激发了广大国内外研究者的兴趣。本文中，任伟教授评述了Ponet等人在GdMn2O5单晶中提出的一种由拓扑状态保护的类似“曲轴（crankshaft）”的磁电开关及其模型解释。他们在单晶GdMn2O5中标记出两种不同的Mn离子反铁磁序链，仅当施加外磁场与GdMn2O5晶体轴夹角为正负10°左右的“神奇”角度（magic angle魔角）时，可实现1-4四种电极化状态切换（图1）。此时，随着扫描两个周期外磁场强度的增减变化，一种Mn的自旋方向仅在90°往复切换，另一种Mn的自旋将发生360°转动。这种效果类似于机械工程中 “曲轴（crankshaft）”的驱动方式，线性增减变化的外部磁场相当于“活塞（piston）”运动，Mn链相当于“传动轴（driveshaft）”，从而驱动自旋序的四种状态转变，实现磁场对铁电性的量子调控。
基于这一“曲轴”拓扑开关模型的成果将激发进一步的凝聚态物理学前沿研究，随着对这一结果背后的内在微观机理的探索，以及使用光学浮区法等更高质量的单晶样品制备技术，将有望在此基础上推进磁电多铁材料和器件的实际应用。上海大学理学院物理系的四椭球面共聚焦光学浮区炉曾是全国第三和上海第一台此类设备，产出了包括Science论文在内的大量优秀科研成果，文章引用并期待这一技术可以继续推动该研究课题的进一步发展。
上海大学任伟教授在多铁量子材料领域举办了一系列相关学术活动，例如2019年1月，国家自然科学基金委与金砖国家科技创新框架计划合作研究“多铁材料的电学和磁学性质”重点项目启动会（NSFC-BRICS STI Framework Programme Meeting on Electronic and magnetic properties of multiferroic materials）在上海大学成功召开。上海大学任伟教授、俄罗斯莫斯科大学Alexander Pyatakov教授和印度尼赫鲁高等科学研究中心A. Sundaresan教授获得各自国家基金支持，共同主持开展和加强金砖国家科学工作者之间的交流与合作项目。早在2016年10月，上海大学量子中心还组织了第八届亚太理论物理中心APCTP多铁材料国际研讨会。APCTP多铁材料国际研讨会自2008年开始在全球各地举办，2016年第八届研讨会由上海代表中国承办该国际会议，为推动上海大学在多铁材料及量子科技方面的研究发展做出了贡献。
在我国科技评价体系改革破五唯的背景下，上海大学物理学科基础研究以国家战略和国际视野的科学工作态度，围绕学校十四五规划“五五战略”的量子科技方向，潜心学术研究，培养青年人才，不断提高影响力。
论文链接：
Nature 607, 34-36 (2022)
https://www.nature.com/articles/d41586-022-01786-w
Nature 607, 81-85 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04851-6
延伸阅读：
国家基金委金砖国家合作项目“多铁材料的电学和磁学性质”启动会-上海大学新闻网
https://news.shu.edu.cn/info/1013/49937.htm
第八届亚太理论物理中心(APCTP)多铁材料研讨会在校举行-上海大学
https://www.shu.edu.cn/info/1053/8909.htm
