多铁性磁电材料由于磁性与铁电性之间强的耦合作用,使其在信息存储、传感器等领域有着潜在的应用前景。然而，由于材料的铁电性与磁性之间的“互斥性”，因而在单相材料中同时实现强磁性、强铁电性及强磁电耦合效应仍然是一个挑战，这是因为在过渡金属氧化物中，铁电性要求过渡金属离子具有空的d轨道(即，所谓的d0规则)，而磁性则要求其d轨道为未完全占满状态，所以磁性材料很难同时表现出铁电性。最近有理论计算及实验结果表明，具有钙钛矿结构的AMnO3 (A=Ba、Sr、Ca)材料能够实现磁性和铁电性共存，其磁性和铁电性均起源于其具有特殊的d3电子构型的Mn4+离子。另一方面，理论计算亦表明具有相同d3电子构型(Cr3+离子)的RCrO3(R=La等)也具有铁电性的倾向，但尚未有实验方面的报道。
为此，固体所科研人员制备了一系列具有简单钙钛矿结构的RCrO3(R=La、Tb、Dy、Er等)单晶样品，系统研究了其铁电、磁性、磁电效应等物性。研究发现，与R=La、Tb、Er等单晶不同，DyCrO3单晶表现出量子顺电体所具有的两个典型特征。特征之一是其c轴方向的介电常数在其反铁磁有序温度TN以下随着温度的降低而逐渐变大，在35 K以下趋于饱和(如图1所示)。其c轴介电常数随温度的变化可以很好地用Barrett方程描述。特征之二是其软模频率在低温下趋于一个非零的常数。
在量子顺电体中，由于量子涨落(来源于量子效应中的零点振动)的影响，其电偶极子之间的长程相互作用被抑制，使其长程铁电有序直到绝对零度(即，0 K)亦未能形成。SrTiO3、KTaO3以及CaTiO3便是其中典型的量子顺电体。上述结果表明，DyCrO3在低温下存在电偶极矩，但由于量子涨落的影响，这些电偶极矩并未形成长程的铁电序。
与理论预测结果相一致，进一步的拉曼散射谱及X射线近边吸收结构谱(XAENS)等实验结果表明，DyCrO3中的电偶极子与Cr3+(d3)离子偏离中心对称位置的位移密切相关(如图2所示)。变温X射线衍射实验结果表明其晶胞体积的收缩速率在低温下有所减小；而该异常行为很可能是其异于其它RCrO3体系而表现出量子顺电行为的重要原因。
钙钛矿结构DyCrO3中量子顺电行为的发现，为进一步寻求突破铁电性中所谓的d0规则，实现由于磁性过渡金属离子(具有非d0电子构型)位移引起的电偶极矩，提供了重要的实验支持；该发现也将为在更广泛的材料，尤其是磁性钙钛矿材料中，探索强磁电效应及多铁性，提供了重要的参考。
该工作得到国家自然科学基金，中国科学院前沿科学重点研究项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.054301
图1. DyCrO3单晶c轴方向介电常数随温度的变化及其根据Barrett方程的拟合结果
图2. DyCrO3在不同温度下X射线近边吸收结构谱的(a)实验及(b)(c)相应理论计算结果
