(通讯员 常钰婷)7月18日，《物理评论B》(Physical Review B)在线发表了国家脉冲强磁场科学中心磁学团队的最新研究成果，论文题为“High-field induced successive metamagnetic transitions and magnetoelectric effect in multiferroic SmMn2O5 single crystals”(多铁性SmMn2O5单晶中强磁场诱导的连续磁相变和磁电效应)的研究论文。中心博士生李甜为论文第一作者，博士后常钰婷为论文通讯作者，王俊峰研究员指导了该项工作，博士后王好文、工程师董超、杨明副教授和陆成亮教授共同参与了实验测量和数据分析工作。
稀土锰氧化物RMn2O5(R为稀土元素、Y或Bi)是一类典型的磁致多铁材料，具有丰富的关联物理现象，如强磁电耦合、铁电极化翻转、巨磁电容效应及拓扑磁电效应等，在探索多铁性及其微观机制方面具有重要研究价值。材料的物性与稀土离子R的磁性及Mn-R、Mn-Mn间复杂的磁交换作用密切相关。该体系通常在ab面内呈准共线反铁磁序，而SmMn2O5因其独特的磁结构，即Sm与Mn离子的磁矩沿c轴呈共线反铁磁排列，为研究各向异性磁电耦合和磁电调控机制提供了独特平台。
在本项研究中，研究团队依托脉冲强磁场设施的磁特性实验平台，系统开展了SmMn2O5单晶在不同方向磁场作用下的磁化、磁致伸缩和电极化行为测量。实验发现，该材料具有高度磁各向异性的磁响应特征：当磁场施加在ab面时，即使在高达60T的磁场下亦未观察到明显的磁相变。而当磁场沿c轴方向时，磁化曲线在H1~22.2T、H2~48.5T和H3~55.8T处出现多级磁相变，表现出典型的连续跃迁特征。此外，在温度高于7K时，材料在更高的临界场H4处还会发生另一独立的磁相变。磁致伸缩实验进一步证实了这些磁相变过程：样品沿c轴发生多阶伸长，揭示其磁结构在强磁场下的演变规律。更为关键的是，这些磁相变伴随着铁电极化的显著变化，表明SmMn2O5中存在很强的磁电耦合效应。在特定磁场范围内，电极化方向相较低磁场下的铁电相发生明显反转，揭示出反铁磁Mn链在磁场作用下的调制在极化翻转中发挥着关键作用。
图为SmMn2O5的强磁场磁化、磁致伸缩和电极化变化曲线
基于实验结果，研究团队绘制了SmMn2O5的磁电相图，展现出该材料在强磁场作用下高度各向异性的磁电响应行为。进一步，结合材料晶体结构、共线磁结构特征及主要的磁相互作用(包括3d-3d与3d-4f的耦合)，讨论了Mn3+-Sm3+和Mn3+-Mn4+自旋对在强磁场作用下出现的不同响应行为，以此构建了描述SmMn2O5磁电耦合机制的物理模型，并揭示交换伸缩机制在不同方向磁场作用下产生强磁电效应的重要贡献。
该研究揭示了SmMn2O5在强磁场下的复杂磁相变行为及显著的磁电耦合特性，为理解多铁材料中的磁电相互作用机制提供了新视角。
该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
