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以诗心做学问


M. F. Liu(刘美风), Y. Zhang, L. -F. Lin, L. Lin, S. W. Yang, X. Li, Y. Wang, S. Z. Li, Z. B. Yan, X. Z. Wang, X. -G. Li, S. Dong(董帅), and J.-M. Liu(刘俊明)


Direct observation of ferroelectricity in Ca3Mn2O7 and its prominent light absorption


Applied Physics Letters 113, 022902 (2018)


少年易老学难成,一寸光阴不可轻。未觉池塘春草梦,阶前梧叶已秋声。 ----朱熹

毕业已经两年的我,再次品味大文豪朱熹的诗词,愈发地感同身受,并多有怀念年少光阴、感叹时间流逝。事过境迁,反而会发现那些所谓的烦闷、忧愁,是多么微不足道。由此,心情也就随之开朗,虽然也还是很怀恋那时单纯的学习和探索科学的状态。只是现今,被工作、生活折磨得已经无法再找到那种感觉,也很难专心学习和探索未知。

面前摆着这篇刚出炉的文章,心情有千转百回。细细回味朱大文豪的劝学诗,思绪再一次回到故事开始的时候。

2013年三月,来自全球的物理学者们齐聚巴尔的摩,参加物理学界最为盛大的三月会议(March Meeting)。当年的我,仍是乳臭未干的小孩,对刘老师的参会满怀期待,盼望着刘老师能带来些有趣的“想法”。开始两天,无时无刻不盯着QQ,每一次闪烁都会满怀期望,然后一次次心碎。在逐渐失去激情时,猛然发现一个熟悉头像弹出数张照片,屏幕边的我就像站在领奖台上运动员般无比兴奋。那是一张张关于Sr3(Ru1-xMnx)2O7体系的中子衍射图片浮现在眼前。LSU的金容英老师课题组实验结果表明:Sr3(Ru1-xMnx)2O7体系存在E型反铁磁。这种E型反铁磁对于我们研究多铁的人来说是非常重要的,这一消息让我如获至宝。那时的我如同打了鸡血,想尽一切办法去烧结这一个体系样品。

前进的过程终究是曲折的,制备Sr3(Ru1-xMnx)2O7时很容易混入Sr2(Ru1-xMnx)O4与Sr4(Ru1-xMnx)3O10结构相,加上Ru又容易挥发,我始终无法合成出高纯的Sr3(Ru1-xMnx)2O7样品。时间如同秦淮河平静流淌的河水,就这样过去了一年,我仍然没有得到一个像样的样品。不知那时的刘老师是考虑我刚初出茅庐亦或是被我的“花言巧语”所忽悠,我竟然“顺利”扛过了一年组会。

此时此刻,回想当时情景,说句实话,我内心是万分恐惧的。一次次失望过后的抉择都是无比痛苦,是继续还是放弃都需要极大的魄力。放弃,心有不甘;继续,看不到希望。也许是为了骨子里那份匪气,又或者找不到更好的路,我选择了顶住风险继续坚持做。好在还有龙兄(王寅龙,里面有很多故事,有机会再和大家分享)陪着我。所谓越努力越幸运,不知是机缘巧合还是感动了上苍,突然就烧出来像样的样品,虽然至今也不知道为何就烧出来了,也许是因为感动了石小倩?!

随即开展了相关磁性和电阻输运的测量。磁性数据十分符合预期,但电阻数据让我再一次陷入绝望之中。由于样品的绝缘性太差,根本无法施加电压,这也使得我们无法测量这个想法的核心“铁电性”。面对残酷的现实,我无比烦躁之际,想起来润之先生那句名言“不管风吹浪打,胜似闲庭信步”。在内心经历短时挣扎之后,我停下来思考问题的所在。

我再一次调研了该类结构体系,发现早在2011年Fennie小组通过第一性原理计算,预言在RP结构的Ca3Mn2O7与Ca3Ti2O7体系中存在非本征铁电。并且,通过施加电场可以调控Ca3Mn2O7的磁性,实现电控磁性。既然之前的道路走不通,为何不换一条路?我下定决心去合成高质量的Ca3Mn2O7样品。基于前面无数次的失败教训,在合成Ca3Mn2O7的道路上一帆风顺,很快就得到了高质量纯多晶样品。通过热释电流和PUND的测量,我们发现在Ca3Mn2O7中确实存在大的铁电极化。随后,在中国科技大学李晓光老师课题组杨盛纬师兄帮助下,我们通过施加电场,测试MOKE信号,研究了电场调控磁性。

数据虽然是很漂亮,然而我们并没有办法或者证据确认到底有没有电控磁性。为了更加直观地测试样品的电控磁性,我们选择最为简单粗暴的方法:在SQUID样品杆上施加电场直接测试磁信号变化。幸运的是,我很快就测试出了电场对磁性调控的信号。

按理来说,接下来就应该顺理成章分析数据、整理数据、撰写论文、发表文章。遗憾的是,又到了“书到用时方恨少”的时候。面对一大堆实验数据,却无法提取其背后物理精髓。虽然写了一大通的“实验报告”,但连自己都读不下去。

时间不等人,Cheong课题组陆续完成了Ca3Mn2O7与Ca3Ti2O7合成与物性测量,分别发表在PRL和NM上,这似乎意味着我所做的一大堆结果没戏了。年少轻狂的我,一怒之下硬生生把这些结果丢在电脑深处的某个文件夹。

毕业工作后,俺无时无刻不想起朱大文豪的“少年易老学难成, 一寸光阴不可轻。”由于种种原因,无法开展新的实验研究。在万般无奈之下,我开始整理过去的实验结果,试图寻找一些新的东西。通过和帅哥董帅教授的学生张杨进行讨论,我们补充了一些光学测量,增加了相应的理论计算,很快将其整理成文。在董帅老师教科书般的指导下,文章的亮点凸现出来,行文逻辑清晰,原来八页纸的废话精简成四页纸的精华。其中99%是帅哥的手笔和张杨的贡献,剩下1%的废话属于我。

我们将缩减后的文稿投寄到应用物理方向主体期刊APL上,仅仅2周就收到了审稿人很正面的评价。在经过一系列小修之后,文章被接受。我们的工作获得编辑部的认可和欣赏,入选了AIP的Featured Article。并且,AIP还以Newly discovered properties of ferroelectric crystal shed light on emerging branch of materials为题,将我们的工作在Phys.org网站进行了媒体推介。

这篇文章成文过程十分痛苦,虽然结果是美好的。它之所以美好,首先是它源于团队合作。值此文online之际,感谢刘老师在科研道路上对我的照顾、感谢帅哥老师不厌其烦的帮助、感谢好兄弟张杨无私的奉献。最后,在此回味朱熹先生的那首劝学诗,以本人教训经验告诫诸位:年少切记要认真学习。

(刘美风撰稿,文稿得到张杨帮助)

Layered perovskites A3M2O7 are known to exhibit the so-called hybrid improper ferroelectricity. Despite experimentally confirmed cases (e.g., nonmagnetic M = Ti and Sn), the ferroelectricity in magnetic Ca3Mn2O7 remains a puzzle. Here, the structural, ferroelectric, magnetoelectric, and optical properties of Ca3Mn2O7 are systematically investigated. Switchable polarization is directly measured, demonstrating its ferroelectricity. In addition, magnetoelectric response is also evidenced, implying the coupling between magnetism and ferroelectricity. Furthermore, strong visible light absorption is observed, which can be understood from its electronic structure. Its direct and appropriate bandgap, as well as wide conducting bands, makes Ca3Mn2O7 a potential candidate for ferroelectric photoelectric applications.

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