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万水千山


M. F. Liu, L. F. Lin, Y. Zhang, S. Z. Li, Q. Z. Huang, V. O. Garlea, T. Zou, Y. L. Xie, Y. Wang, C. L. Lu, L. Yang, Z. B. Yan, X. Z. Wang, S. Dong(董帅), and J.-M. Liu(刘俊明)


Cycloidal magnetism driven ferroelectricity in double tungstate LiFe(WO4)2


Physical Review B 95, 195134 (2017)


休言青山多峻岭,莫道绿水复蛇行。
山也青、水也静,万水千山总是情。


2011年金桂飘香的九月,我踏着梦想的足迹,怀揣着无比忐忑却也有些兴奋的心情,来到了南京这座令人神往的古城,开始了自己的研究生求学生涯。谁都知道,攻读博士学位、而且还是物理学博士学位,这是人生的分叉点,是苟且或者完蛋就在下来这几年了。

事实上,在南大上学五年里,经历了各种酸甜苦辣,逐渐体会到了生活的全部意义。整个学习生涯,完全可以用“登山”这一个过程来形容。大部分时间都在攀登大山的途中,偶尔能体会山顶风景的优美。这或许是因为科研的过程与登山如此一致,爬紫金山也成为了PLD实验室每周日固定的娱乐活动。虽说是娱乐活动,其实在爬山过程仍离不开科研的探讨。正如某位科研工作者所说:“一入科研,事事科研”。我十分怀念这种爬山的感觉,它不仅可以给我带来攀登的动力,还可以给我机会向刘老师“展现”我工作的近况。搁在平时,我们都是绕开刘老师走路的,在实验室能不见就不见,很像老鼠见了猫,虽然这是一只老猫。爬山研讨,往往一次下来收获总是不少,但也懊悔自己之前走的弯路。

最近这个故事可以追溯到2014年。期间充满曲折的故事似乎可以拍成一部“励志”电影。加入PLD实验室以后,我一直从事掺杂改性的研究,内心却对新材料探索情有独钟。在反反复复犹豫之后,终于在某次爬紫金山的过程中,我鼓起勇气向刘老师说出了我积攒已久的想法。刘老师毫不犹豫地支持我的想法,虽然他未必真的明白我在说什么。刘老师分析完利弊以后,建议我两条腿走路:一边做原来的课题,一边探索新材料。

紧接着,经历数不清夜晚后,在进行了数百次尝试(毫不夸张)之后,结果总是那么俗套:失败、失败、还是失败。时间很快就过去了大半年,结果还是什么也没有做出来。多少时候,我内心有两个声音不停地打架,一个让我放弃,一个让我坚持,弄得我整日心神不宁。或许是幸运女神的眷顾,又或许是坚持的奖励,如拍电影的桥段一样,一块肉饼从天而降:我烧出了LiFe(WO4)2样品,并且发现它还具有多铁性。我内心的激动无以言表,感觉自己就像中了大奖一样。

我立马向刘老师汇报,不过,故事继续像电影的剧情发展一样,得到的却是一盆冷水。刘老师说这个铁电温度这么低、极化这么小,没什么新颖结果,算不得什么好工作。当时的心情,用崩溃二字也很难形容。但我仍然不甘心,四处寻找帮助,最后找到帅哥,想去他的组会上讲一下自己做的工作,希望从理论上对这些实验结果有一个新的认识。讲完报告后,这个故事似乎又转向好的方向。帅哥觉得加上理论计算的结果,可以比较完整地讲清楚这个故事。

然而,由于这个体系里面有Li,计算一直不太顺利。时间滴答滴答地过去了,就在希望快要破灭的时候,当时在美国访问的李少珍师姐告诉我她可以帮助我联系(美国标准局) NIST的黄清镇老师做中子衍射。如果有了中子实验结果,意味着我们可以清楚知道它的磁结构,这样就可以从物理上清楚解释铁电机制。我迅速合成了一批样品邮寄给李师姐了,很快就拿到了中子的数据,数据很漂亮。就在我自以为要大功告成的时候,在解析中子数据的过程中又遇到了麻烦。由于是非公度的螺旋磁结构,中子谱解析起来很麻烦。不过,有时候,事情总是那么出人意料,在绝望的时候总会出现那么一丝希望。这时候刘老师给我推荐了邹涛博士,他正在橡树岭国家实验室 (ORNL)V. Ovidiu Garlea小组工作。在他们的帮助下,这个复杂的磁结构解析出来了。

得到这些实验数据,内心终于踏实下来,因为我知道我们离成功不远了。随后,我把一套完整的实验数据发给了帅哥,帅哥的学生林玲芳和张杨通过磁结构数据对这个体系做了第一性原理计算,计算结果和实验数据很吻合。这样,这个故事总算系统且自洽地得到描述,剩下的就是把故事写出来。经过2周奋笔疾书,费了九牛二虎之力写了一篇我自己觉得牛逼但现在看来错误百出的英文初稿,发给了帅哥。令人感动的是,帅哥不厌其烦给我指导,并亲自操刀处理了我的错误。自此,整个故事完成了80%,剩下的百分20%就在于投稿和审稿人手中了。

还记得那一天,2017年第一个钟声,我们怀着激动心情投稿到PRX,很快Transfer到PRB,接下来就是漫长的等待。故事永远都是你知道开头,却猜不到结尾。等来的审稿意见把我吓出一身冷汗。其中一个审稿人很顽固,一直不同意发表,提出了一系列很不客观的意见。在帅哥和ORNL合作者帮助一下,反反复复经历了4轮打仗,就在内心极度不安之中,PRB编辑可能是觉得作者和审稿人双方都不好惹,权衡之下采纳我们意见,决定接受文章。

这篇文章接收的过程是痛苦的,结果是美好的,它之所以美好是因为有着很棒的团队合作。我内心突然想起了刘老师那句名言:把你们放在B401坐在一起,是为了你们更好地参与学术讨论。多年以后的今天我终于读懂了刘老师的良苦用心,后悔莫及……

值此文online之际,感谢刘老师为我点亮了科研道路上的半盏明灯,感谢帅哥无私帮助,感谢亲朋好友为我唤醒了迷茫青春中的点点滴滴,也让我本来弯曲下去的腰杆子又挺了起来。谨以此文献给所有爱我和我爱的人。(注:这篇文稿是在林玲芳与张杨的帮助下完成的,谢谢他们的帮助)

(刘美风撰稿)

Tungstates AWO4 with the wolframite structure characterized by the AO6 octahedral zigzag chains along the c axis can be magnetic if A = Mn, Fe, Co, Cu, Ni. Among them, MnWO4 is a unique member with a cycloid Mn2+ spin order developed at low temperature, leading to an interesting type-II multiferroic behavior. However, so far no other multiferroic material in the tungstate family has been found. In this work, we present the synthesis and the systematic study of the double tungstate LiFe(WO4)2. Experimental characterizations including structural, thermodynamic, magnetic, neutron powder diffraction, and pyroelectric measurements unambiguously confirm that LiFe(WO4)2 is the secondly found multiferroic system in the tungstate family. The cycloidal magnetism driven ferroelectricity is also verified by density functional theory calculations. Although here the magnetic couplings between Fe ions are indirect, namely via the so-called super-super-exchanges, the temperatures of magnetic and ferroelectric transitions are surprisingly much higher than those of MnWO4.



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