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吴骅课题组在金属有机框架材料中预言电磁光克尔效应
发布人:韦佳  发布时间:2017-10-24   浏览次数:27


     近日,我系吴骅教授课题组与其合作者利用第一性原理计算和对称性分析,在金属有机框架(Metal-Organic Framework, MOF)材料中发现了电磁光克尔效应(Electric-Magneto-Optical Kerr Effect, EMOKE)。相关论文以题为“Electric-Magneto-Optical Kerr Effect in a Hybrid Organic−Inorganic Perovskite”发表在《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society,  139, 12883 (2017))。我系博士生范风人为该论文的第一作者,吴骅教授和意大利拉奎拉大学(University of L’Aquila) Alessandro Stroppa博士为共同通讯作者。


图(电磁光克尔效应):铬基MOF中克尔角θK(中间图中红蓝渐变颜色所示) 与磁矩M和电极化P的关系。在顺电态,克尔角为零;在铁电态,即使磁矩为零,仍有非零的克尔角。在(P, M)空间中,必须同时翻转PM才能翻转克尔角。

  

     磁光克尔效应(Magneto-Optical Kerr Effect, MOKE)由克尔(John Kerr)在1877年发现,是指当一束线偏振光从磁化介质表面反射时,反射光的偏振面相对入射光的偏振面发生偏转的现象。磁光克尔效应广泛应用于磁光信息存储、表面磁测量、非常规超导体中时间反演对称性的测量等。过去一般认为,磁光克尔效应存在于净磁矩非零的体系中,所以人们往往在铁磁材料中研究和利用磁光克尔效应。

  

     铬基有机金属框架材料([C(NH2)3]Cr[(HCOO)3], Cr-MOF)是一种具有多铁特性的无机有机杂化钙钛矿化合物。其中Cr的磁矩在ab面内呈铁磁排列,沿c方向反铁磁排列。其铁电态和磁有序态相互耦合,形成多铁性的磁电耦合。由于其中净磁矩和磁电耦合的存在,人们很自然地想到利用外电场来调控磁性态,进而实现电控磁光克尔效应。我们的第一性原理计算证实了这一构想。更重要的是,通过计算我们发现,在顺电反铁磁态(P=0, M=0),没有磁光克尔效应;在铁电反铁磁态(P0, M=0),有令人惊讶的磁光克尔效应;一般性地,如果要翻转克尔角,必须要同时翻转电场和磁场方向。这突破了传统的观念3/4磁光克尔效应仅在净磁矩不为零的体系中存在!通过分析顺电态和铁电态的磁空间群,我们发现铁电反铁磁态的磁光克尔效应来源于空间反演对称性和时间反演对称性的同时破缺。简单地说,这里的反铁磁体可以看作两套磁化方向相反的铁磁子晶格的叠加。在顺电态,两套子晶格的克尔信号因为反演对称性相互抵消;在铁电反铁磁态,两套子晶格的克尔信号不能相互抵消,结果呈现出非零的克尔角。所以,我们称Cr-MOF中的这一效应为电磁光克尔效应。

  

     基于对称性的考虑,这种新颖的电磁光克尔效应可能广泛地存在于多铁性的材料中。在应用上,对比利用MOKE效应来制造的磁存光读器件,EMOKE效应也许可以帮助我们设计制造出基于铁电反铁磁体的电存光读的新型器件。

  

     论文合作者德国洪堡大学(Humboldt UniversityClaudia Draxl教授提供了计算程序的帮助,上海大学任伟教授参与了工作讨论。该项研究得到了国家自然科学基金(No. 11474059, No. 11674064)和国家重点研发计划(No. 2016YFA0300700)的支持。