非多铁性环境中多铁性畴壁的成像：纳米尺度磁电耦合的新发现

《Matter》：Imaging of a multiferroic domain wall in a non-multiferroic environment

本期推荐：瑞士苏黎世联邦理工学院团队通过Faraday旋转显微术(FRM)和二次谐波成像(SHG)，首次在Dy0.7Tb0.3FeO3的非多铁性相中观测到同时具有自发磁化(M)和电极化(P)的畴壁，揭示了畴壁作为独立功能单元的物理特性，为低能耗自旋电子器件设计提供了新思路。

　　

在材料科学的前沿领域，多铁性材料因其独特的磁电耦合特性备受关注。这类材料能够实现电场调控磁性或磁场调控电极化，为下一代低能耗存储器件提供了可能。然而，传统研究多聚焦于体相材料的均匀性质，忽视了材料中普遍存在的畴壁这一特殊结构。畴壁作为不同磁畴或电畴之间的过渡区域，往往展现出与体相截然不同的物理特性，甚至可能孕育出体相中完全不存在的物态。这种"界面衍生新物性"的现象，为功能材料设计开辟了新途径。

瑞士苏黎世联邦理工学院联合法国勒芒大学等机构的研究团队，选择正交铁氧体Dy_0.7Tb_0.3FeO₃(DTFO)作为研究对象。该材料在2.3-2.7 K温度区间呈现体相多铁性(MF相)，而在更低温度下转变为非多铁性的纯反铁磁相(non-MF相)。理论预测表明，non-MF相中的反铁磁畴壁可能通过自旋重取向诱导出局域的多铁性，但这一假设长期缺乏实验验证。研究人员通过创新性的光学成像技术，首次实现了对这类"隐身"多铁性畴壁的直接观测，相关成果发表在《Matter》期刊。

研究采用两项核心技术：Faraday旋转显微术(FRM)通过测量透射光偏振面旋转来表征磁化强度分布，空间分辨率达10-20 μm；光学二次谐波成像(SHG)则利用非线性光学效应检测非中心对称的电极化分布。样品为60 μm厚的z切DTFO单晶，通过特定磁场-温度协议预先制备多畴结构。

研究结果部分，"DTFO的结构与磁相"揭示了材料的复杂相行为：在低于2.3 K的non-MF相中，Fe³⁺和Dy³⁺/Tb³⁺自旋子系统呈正交排列，理论上畴壁中心可能因自旋平行分量产生局域多铁性。"畴壁磁化的探测"章节显示，FRM在non-MF相中观测到宽度约15.6 μm的亮/暗线，对应±M_z磁化的畴壁，空间解卷积证实其真实宽度更小且磁化强度低于体相MF相。"畴壁极化的探测"通过SHG发现畴壁位置存在与表面SHG信号相消干涉的特征，证实了局域极化存在。温度演化研究表明，当温度升至2.3 K进入MF相时，畴壁逐渐展宽为宏观畴，其磁化/极化强度趋近体相值。

结论部分指出，该研究首次实验证实了"非多铁性环境中的多铁性畴壁"这一特殊物态的存在。这类畴壁具有三个关键特征：(1)同时承载自发磁化和电极化；(2)磁电序参数可被外场单独调控；(3)能在畴壁内部形成次级磁畴。这一发现不仅完善了畴壁物理的理论框架，更提出了"畴壁工程"的新范式：通过设计特定取向的畴壁网络，可在非多铁性基质中构建纳米尺度的磁电功能单元。特别是对反铁磁自旋电子学具有重要意义，未来或可通过电场操控畴壁状态来间接调控反铁磁畴，解决反铁磁材料难以直接操控的难题。