近日，东南大学物理学院董帅教授课题组在新型电极化材料物理方面取得进展，相关研究成果以“Frustrated Dipole Order Induces Noncollinear Proper Ferrielectricity in Two Dimensions”为题发表在物理学领域知名刊物Physical Review Letters 上。
磁和电是相伴而生的一对物理性质。十九世纪物理学家麦克斯韦在前人基础上，建立了统一的空间中的电磁理论。到了二十世纪，人们开始研究固体中的磁和电，诞生了铁磁学、铁电学等学科。并且这些磁、电功能材料在信息时代作为信息存储介质和信号传感器得到了非常广泛的应用。正如麦克斯韦电磁理论指出的，磁与电就像一枚硬币的两面，始终相伴而生，在物理性质方面展示着一一对应的关系。这在固体中也不例外，有铁磁体就有铁电体、有反铁磁体就有反铁电体、有磁滞回线就有电滞回线，有铁磁畴就有铁电畴等等，连它们的朗道理论公式都如出一辙。
具有非共线磁结构的体系非常常见，已经成为当今磁性物理与材料研究的前沿热点，演生出丰富的物理，例如反常霍尔效应、磁致铁电、斯格明子，自旋冰等等。但十分反常而有趣的是，其对应的具有非共线电极性结构的体系，却很罕见(至少在无机材料体系中)。难道一直很完美的磁与电对应性在这个点上有所破缺？近年来有研究者在Nature发文报道了在PbTiO3/SrTiO3超晶格中实现了电极化涡旋乃至电极化斯格明子，这说明非共线的电极化构型是可以实现的，并且具有很高的科学价值和应用前景。但上述非共线结构是来源于体系的特殊人工结构和静电边界条件，而不是单相材料的本征物理性质。那到底电极性体系中是否存在本征的非共线极性结构呢？
董帅课题组长期从事磁性与电极化物理和材料的研究，积累了大量的经验。通过仔细分析磁性体系出现非共线磁结构的起因，他们借鉴了磁性体系的“失措”概念，预测铁电声子模式与反铁电声子模式的竞争有可能导致本征的非共线电极化结构。根据这一理论，找出一类二维材料体系WO2Cl2 和 MoO2Br2，并通过计算预测了其非共线亚铁电性。其非共线亚铁电性正式起源于铁电模式和反铁电模式的竞争与耦合，并且衍生了一系列有趣的物理现象，比如负压电效应，拓扑畴结构，以及原子尺度的极性涡旋等。该工作将激发更多关于非共线电极性物理与材料的研究，为后续的实验工作及器件设计提供了理论指导。
本文第一作者为东南大学物理学院博士生林玲芳，其他作者包括南大学物理学院博士生张杨、美国田纳西大学/橡树岭国家实验室Adriana Moreo教授和Elbio Dagotto教授。董帅教授为通讯作者，东南大学物理学院为第一单位。该工作受到国家自然科学基金委、中国留学基金委、美国能源部项目资助，以及东南大学云计算平台和国家计算中心天河II的计算资源支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.067601
科普介绍《极性的“曲直”是非》：https://mp.weixin.qq.com/s/Q0Zc9DjomxME4z2bWtLfbA