在异质结或超晶格体系中，界面效应常常会带来很多新奇的物性。我院高层次引进人才付召明副教授等最近研究了由铁电/顺电材料（BiFeO3/SrTiO3）构成的钙钛矿超晶格体系，如图1所示。在该体系中由于铁电性与界面效应同时共存并且相互影响，从而演生出很多重要的现象和行为。
SrTiO3/BiFeO3/SrTiO3超晶格模型，蓝色箭头标记Bi离子的极化位移。（a）上下界面均为N型，界面将诱导头对头的铁电畴；（b）上下界面均为P型，界面将诱导尾对尾的铁电畴；（b）上下界面分别为N型和P型，界面将诱导单向的铁电极化。
该研究表明，界面效应会诱导在铁电材料层（BiFeO3）中形成“头对头”或“尾对尾”的铁电畴以及单向的铁电极化（见图1）。并且在两种铁电畴的畴壁上分别观测到了二维电子气(2DEG)和二维空穴气(2DHG)，如图2所示。以现代极化理论为基础的界面理论可对以上结果给出简明的解释。
超晶格中Fe3d轨道的原子层分解的投影态密度，（a）头对头铁电畴壁上的二维电子气（2DEG），（b）尾对尾铁电畴壁上的二维空穴气(2DHG)。（c）单向铁电极化中的能带弯曲现象。
作者深入研究了这种铁电畴壁上的二维电子气的磁性，发现该巡游电子气是自旋极化的，呈现出巡游的铁磁性，这无疑对自旋电子学和多铁性物理的研究都至关重要。同时还分析了这种巡游铁磁的形成机制，并指出该体系的新奇之处在于在铁电畴壁上同时具有局域和巡游两种Fe的3d轨道电子。根据固体的磁性理论，前者适宜于超交换模型描述，通常导致反铁磁序，这是BiFeO3中反铁磁序的起因；而后者适宜于斯通纳模型描述，并且由斯通纳判据可推断其具有铁磁性，这是二维电子气自旋极化的起因。在以前报道的LaAlO3/SrTiO3中，二维电子气出现在界面的钛氧层（TiO2）上,源自于Ti的3d电子。已知在金属钛中，巡游的Ti3d电子呈现顺磁，因此这种巡游的二维电子气也表现出了顺磁性。目前工作中的二维电子气出现在铁电畴壁的铁氧层（FeO2）上,源自于Fe3d电子。已知在金属铁中，巡游的Fe3d电子将呈现铁磁，因此这种巡游的二维电子气也表现出了铁磁性。最终的结果是：在铁电畴壁上局域的Fe3d电子贡献了一个反铁磁背景，而巡游的Fe3d电子则贡献了自旋极化的二维电子气,如图3所示。
超晶格中BiFeO3的磁性：图中紫色，褐色，红色小球分别代表Bi，Fe，O离子。左图中白色箭头示意了BiFeO3的反铁磁背景，黑色箭头示意了巡游的铁磁性；右图的蓝色和灰色分别是计算出的自旋上和自旋下的电子密度。在中间的铁电畴壁上，可以看到局域反铁磁和巡游铁磁的共存。
该工作已被国际凝聚态物理知名期刊Physical Review B接收发表（Phys. Rev. B,2021,103, 195301；DOI:10.1103/PhysRevB.00.005300）。该成果的发表对我院物理学科博士点的培育具有重要意义。论文第一（兼通讯）作者付召明副教授是我院今年引进的高层次人才，主要从事凝聚态物理表面界面的理论模拟研究，已在国际著名物理期刊Physical Review Letters，Physical Review B, Applied Physics Letters，npj quantum materials等杂志上发表文章多篇，并主持完成和参与了多项国家自然科学基金项目。
