实现物质对称性的调控是研究凝聚态物理和创造新奇现象的重要基础。半个世纪以前，物理学家安德森就在 “More is different” （Science 177, 393 (1972) ）中提到凝聚态物质的研究即是对称性的研究。朗道的唯象理论也特别指出物质相变的发生必然伴随着对称性的破缺。譬如，铁电相变伴随着空间反演对称性的破缺；磁相变伴随着时间反演对称性的破缺等。近年来的理论和实验研究发现，同时打破空间和时间反演对称性将有望带来诸多新奇的量子现象。然而，传统材料受限于自身的固有结构，难以改变或控制其对称性。因此，亟待找到全新的手段，精确操控材料的对称性以及序参量，进而人工设计全新的量子现象和衍生功能。
最近，北京师范大学与清华大学、北京大学、兰州大学、中国科学院物理研究所、美国东北大学等多家单位，历经6年的合作努力，以Ruddlesden-Popper结构的反铁磁和Perovskite结构的介电材料为模型体系，利用激光分子束外延，从原子尺度精确制备了具有非对称界面的Sr2IrO4/SrTiO3超晶格，实现了空间反演和时间反演对称性的同时破缺。对称性的破缺带来了界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，进而有效创造了自旋序和极化序的强耦合，并诱导出磁电相变。通过进一步极化界面结构的设计（Sr2IrO4/BaTiO3超晶格），相变温度可由46 K提升到203 K，并且在无需偏置磁场的环境下获得了可观的磁电效应。该工作为后续新概念、高性能磁电子信息器件的设计提供了全新的物理和材料基础，也为新型量子体系的人工设计提供了思路。
（a）Sr2IrO4/SrTiO3超晶格与非对称界面的人工构建（Perovskite界面和Ruddlesden-popper界面）；（b）超晶格中所衍生的磁电相变，插图描述了相变行为由界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）所决定；（c）相变温度的人工调控。
该成果近日以“Magnetoelectric Phase Transition Driven by Interfacial-engineered Dzyaloshinskii-Moriya Interaction”为题发表在Nature Communications上。北师大物理系2014级博士生刘鑫（现为瑞士Paul ScherrerInstitute博士后）、2017级博士生杨宇犇、兰州大学博士生宋文杰、北京大学博士生武媚为本论文的共同第一作者。北师大张金星、清华大学南策文院士和北京大学高鹏为本论文的通讯作者。北师大寇谡鹏和沈卡、兰州大学柴国志、物理所孙阳和石有国、美国东北大学孙年祥等合作者对该工作提供了重要的理论和实验帮助。该工作受到国家基础科学中心计划和科技部重点研发计划的资助。同时，也感谢国家自然科学基金、北京自然科学基金、中科院跨学科创新团队、北京市凝聚态物理国家重点实验室、中科院高能所北京同步辐射对该工作的支持。
*中国科协科学技术传播中心支持
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论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25759-1
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