近期，稳态强磁场实验装置（SHMFF）用户清华大学于浦教授团队，通过关联氧化物的原子精度操控，创新设计和制备出一种全新氧化物材料Ca3Co3O8，与中国科学院合肥物质院强磁场中心合作，依托SHMFF二次非线性光学与高场输运测试技术证实了该材料的本征铁磁极化金属特性。这一结果为电、磁关联物性的探索提供了理想材料平台，也为关联氧化物的设计提供了全新思路。该成果2024年4月11日发表在权威期刊《自然材料》（Nature Materials）上。
不同于电磁场中电场与磁场的相伴而生，材料中的电极化序和磁序似乎处在“有你无我，有我无你“的排他状态。类似地，在自由电子屏蔽图像下，金属体系排斥内部电极化序的存在，所以传统观念上电极化材料和绝缘体是划等号的。这种固有认知被安德森（P. W. Anderson）及其合作者布朗特（E. I. Blount）所挑战[Phys. Rev. Lett. 14, 217 (1965)]：二人论证了电极化序和金属性共存的可能，冠以两人名字的Anderson-Blount极化金属由此诞生。受到多铁性材料中磁电耦合效应的启发，将铁磁性引入到电极化金属中具有重要科学意义。然而，在单一材料中，同时将电极化、铁磁性以及电极化、金属性这两对看似相互矛盾的性质内禀地耦合在一起，面临着巨大的挑战。
清华大学于浦教授课题组提出以氧多面体作为材料物性调控基元，从而有效拓展了新型量子物态的研究思路。通过对氧空位序的原子精度操控，他们创制出一种全新的具有准二维结构的功能氧化物—Ca3Co3O8。该材料综合了双层Ruddlesden-Popper（RP）结构和BM结构的基本特征（图1a）。随后，他们与中国科学院合肥物质院强磁场中心盛志高研究员团队合作，依托SHMFF超快非线性光学测试系统，采用二次谐波产生技术从宏观上证明Ca3Co3O8中存在显著的电极化序（图1b）。该结果与电子叠层成像的微观结构观察相结合（图1d），发现了电极性的主要贡献来自于双层CoO6八面体中Co离子的位移。同时，SHMFF超快二次谐波产生的温度依赖测量结果显示，该材料的电极化在磁转变温度以下明显增强，表明了电极性和磁性间的耦合关联作用（图1c）。此外，八面体层还兼具铁磁性和金属性，使得Ca3Co3O8中体现出铁磁性、电极化与巡游电子间的强耦合关联。Ca3Co3O8中的铁磁极化金属态为研究金属体系中的磁电耦合效应提供了理想研究平台。
另外，研究团队在这一新的铁磁极化金属态材料中发现了零磁场下的本征非互易电阻效应（图1e），即沿同时垂直于电极化与磁化强度的两个相反方向施加电流会得到大小不等的电阻响应。更为有趣的是，依托SHMFF水冷磁体WM5电输运测试系统，研究团队观察到了显著的拓扑霍尔效应（如图1f灰色区域），而且该体系中拓扑霍尔效应在宽温区（0~140 K）和大磁场范围（0~30 T）都保持稳定，显著区别于传统拓扑霍尔体系。本材料中的强鲁棒性拓扑霍尔不但拓展了研究人员对于磁性材料和磁相互作用的理解，也为自旋电子学基础科学研究和应用探索提供了一个良好的材料载体。
该工作由清华大学于浦教授领衔，由来自清华大学、美国西北大学、中国科学院合肥物质院强磁场中心等9个单位成员通力合作完成。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-01856-6
图1.设计实现本征铁磁极化金属态。a.全新A3B3O8的结构构型示意图；b.二次谐波产生（SHG）宏观呈现电极化证据；c. SHG宏观呈现磁性与电极化共存证据；d.电子叠层成像微观呈现电极化证据；e.本征非互易电阻行为；f. 稳态强磁场下异常稳定的拓扑霍尔电阻
