黄铁矿型矿物硫锰矿 MnS2 中的阻挫诱导多铁性
Frustration-induced multiferroicity in hauerite MnS2
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该研究证明黄铁矿型 MnS2 在反铁磁有序下因阻挫产生铁电极化，成为第二类多铁材料，且畴切换需克服磁交换能垒。
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黄铁矿型矿物硫锰矿 MnS$_2$ 是一种磁性绝缘体，具有局域的 $S=\frac52$ 自旋矩。在 48 K 以下，它形成共线反铁磁序，伴随单胞加倍并打破反演对称性。我们证明后者产生了高达 360 $\mu$C/m$^2$ 的铁电极化，使 MnS$_2$ 成为第二类多铁材料。微观上，电子极化源于 S$_2$ 二聚体，这些二聚体由于相邻 Mn 位点的阻挫磁有序而获得偶极矩。我们展示了时间反演对称性使铁电畴保持完整，且畴切换需要克服由磁交换能标设定的高能垒。
英文摘要
Pyrite-type mineral hauerite MnS$_2$ is a magnetic insulator with localized $S=\frac52$ moments. Below 48 K, it develops a collinear antiferromagnetic order, accompanied by unit-cell doubling and breaking the inversion symmetry. We demonstrate that the latter gives rise to a ferroelectric polarization of up to 360 $μ$C/m$^2$ rendering MnS$_2$ a type-II multiferroic. Microscopically, the electronic polarization originates from S$_2$ dimers that acquire a dipole moment induced by the frustrated magnetic ordering of neighboring Mn sites. We show that time-reversal symmetry leaves ferroelectric domains intact, and that domain switching necessitates overcoming a high energy barrier set by the magnetic exchange energy scale.
发表机构
- Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden（德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所）
- University of Salzburg（萨尔茨堡大学）
- Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen（格罗宁根大学泽尔尼克先进材料研究所）
- Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学）
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