2025年1月6日，我院陆成亮教授课题组在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了题为《Observation of Universal Topological Magnetoelectric Switching in Multiferroic GdMn₂O₅》的研究论文。陆成亮教授、强磁场中心王俊峰研究员、东南大学董帅教授为论文共同通讯作者，强磁场中心博士后王好文（我院2020博士毕业生）和东南大学博士生王凡为论文共同第一作者。强磁场中心博士后常钰婷（我院2024博士毕业生）、杨明副教授、李亮教授、南京大学刘俊明教授等深度参与了该工作。

拓扑物理学是凝聚态物理学的重要分支，涌现出诸如拓扑绝缘体/半金属/超导体等系列新概念。这些概念描述了动量空间中费米能级附近的非平庸能带结构可以带来系列新颖的物理效应，例如量子反常霍尔效应等。与此同时，磁斯格明子、铁电涡旋畴等则代表了另外一大类拓扑结构，即实空间拓扑，广泛出现于磁性、铁电以及多铁材料体系。近年来，有研究报道了一类新型的拓扑物理概念，即拓扑磁电。与动量空间中定义的拓扑、实空间中定义的拓扑两种不同的是，拓扑磁电体现了系统历经一系列磁电状态时的轨迹特征，而这个轨迹在物态相空间(phase space)构成拓扑非平庸的闭合回路，我们姑且称之为相空间定义的拓扑，或参数空间定义的拓扑。然而，目前文献报道实现拓扑磁电的条件大多非常苛刻，且参数空间小。

围绕于此，合作团队利用武汉脉冲强磁场研究了GdMn₂O₅单晶中的磁电效应。实验结果显示，引入电场能够大大拓展获得拓扑磁电效应的参数空间：磁场已不再限于“魔角”、温度也能高至铁电居里温度。并且通过控制电场方向，能够调控微观自旋的拓扑绕数特征，例如磁矩顺时针（Q=1）和逆时针（Q= -1）一周旋转。结合理论计算表明，这些拓扑磁电效应与系统自由能的精确调控密切关联，其中稀土离子磁性对于减小系统中各状态之间的势垒很关键。这一物理图像在RMn₂O₅(R为稀土离子)系列单晶中得到了验证。

该工作得到了国家自然科学基金、省基金、强磁场学科交叉基金等项目支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.016708

图：(a)GdMn₂O₅的晶体结构和磁结构示意图：Mn磁矩形成两条反铁磁链L₁和L₂，相对a轴倾斜±10°(即魔角)。磁场沿魔角连续扫场两次，反铁磁链L₁的磁矩顺时针转动一周，L₂的磁矩在平衡位置附近作摆动，系统顺序经历状态1-2-3-4-1。(b)对应电极化出现两次反转：P₁= -P₃,P₂= -P₄。过程中拓扑绕数Q=1，类似于面包圈拓扑。(c)电场作用下，H//a(非魔角)也能实现拓扑磁电过程1-4-3-2-1，即Q= -1。(d)在最大磁场处反转电场E，则可以获得拓扑磁电过程1-2-3-4-1，即Q= 1。