位移型铁电材料(如BaTiO3、PbTiO3等)因其优异的性能在电容器、传感器和驱动器等众多领域得到了广泛的应用。但是，这些材料的自发电极化往往由非磁性的d0或6s2离子的位移引起，使得外磁场几乎不能调控材料的电极化强度。尽管在少数位移型铁电材料中发现磁性离子直接参与了电极化的形成，但是这些材料大多具有稳定的反铁磁结构，外磁场很难调控磁有序结构以及和磁有序(磁畴)关联的铁电极化(铁电畴)。因此，如何在位移型铁电材料中实现磁场可调的铁电性是一个极具挑战的科学问题。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室龙有文研究员团队，通过与所内外团队的密切合作，利用高压高温实验手段成功制备了具有A位有序钙钛矿结构的CaFe3Ti4O12体系，发现该材料中的Fe2+离子不仅产生位移型铁电极化，形成了长程磁有序，且磁有序结构很容易被外磁场改变，进而罕见实现了磁场对位移型铁电极化的调控。具体测试显示CaFe3Ti4O12体系磁电耦合系数在2K、0.8T时可以高达500ps m-1，是目前在位移型铁电材料中发现的最高值，该磁电耦合系数甚至可媲美第二类多铁性材料(其铁电极化由特殊自旋结构打破空间反演对称性所引起，因而具有很大的磁电耦合效应)。这项工作突破了磁场难以调控位移型铁电材料电极化强度的瓶颈，为设计制备具有显著磁电耦合效应的铁电材料提供了新思路。
本工作受到了北京市自然科学基金项目、科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目和中国科学院战略性先导研究计划的资助。物理所杨义峰研究员、理化技术研究所姜兴兴研究员、清华大学于浦教授、瑞士保罗谢勒研究所Denis Sheptyakov博士、德国马普所Z. W. Hu博士等也参与了本工作。相关成果以“Magnetic-Field Controllable Displacement-Type Ferroelectricity Driven by Off-Center Fe2+ Ions in CaFe3Ti4O12 Perovskite”为题，发表在近期的Adv. Funct. Mater. 2411133 (2024)上。
图：CaFe3Ti4O12的晶体结构和磁电耦合效应。(a) CaFe3Ti4O12的室温下的晶体结构。(b) 随温度变化的晶格常数和晶胞体积。(c) 低温下极化的晶体结构。(d) 结构相变时发生的离子位移。随磁场变化的(e)电极化强度变化ΔP(H) = P(H) - P(0 T)和(f)磁电耦合系数α = dP / dH。 (g)不同极化方式测量的ΔP(H)。(h)周期性磁场下的ΔP(H)。
