利用电场诱导的非互易方向性二色性在正铁氧体DyFeO3中成像交替磁性畴

观察隐藏的磁图案

在许多具有潜力的未来材料内部，原子的微小磁针以普通磁体和大多数显微镜无法察觉的方式排列。本文展示了一种在称为镝正铁氧体（DyFeO₃）的晶体中“看见”这些隐藏图案的新方法，使用光和施加的电场而非传统磁铁。这一技术为一类所谓的交替磁体打开了一扇窗，这些材料可能支撑更快、更高效的电子和数据存储技术。

具有两个交错磁格的晶体

DyFeO₃属于一个研究透彻的晶体家族，其中两种不同的磁性原子——铁和一种稀土元素——共享相同的晶格。它们的磁矩形成两个交错的亚晶格，整体指向相反方向，因此材料几乎没有净磁化，尽管时间反演对称性被破坏。这种特殊的排列称为交替磁性，可以在不表现为普通条形磁体的情况下产生诸如自旋依赖电流和光学响应等异常效应。在DyFeO₃中，当温度降低到约50开尔文时，铁自旋会突然重组为一种相（命名为Γ₁），该相中弱铁磁成分完全消失，使得磁性尤其难以检测。

为什么常规磁性显微镜失效

因为Γ₁相没有自发磁化，依赖光在磁化介质中偏转的常用工具如法拉第效应或克尔效应几乎探测不到信号。早期试图在该相中可视化内部畴的工作不得不依赖更间接的效应，例如晶体沿不同方向折射光的差异或应力诱导的微弱磁响应。这些方法仅在受限条件下有效，且可能扰动它们试图探测的畴。因此，研究者需要一种既能区分微观自旋图案翻转的区域、又基本不扰动晶体且不依赖内在磁化的方法。

让光感受电场的推动

作者利用了一种称为电场诱导非互易方向性二色性的现象。简单来说，他们在一块薄的DyFeO₃板上沿厚度方向施加电压，并让光垂直透过晶片。在Γ₁交替磁相中，晶体的对称性允许电场产生一种微妙的“环矢”磁性结构——类似微小电流环——这会影响材料对光的吸收强度，且吸收依赖于光传播方向是否顺着或逆着该环矢方向。相邻的两个畴，其内部自旋图案互为相反的孪生体，在相同电场作用下表现出符号相反的吸收变化。通过调制电压并用高灵敏相机记录透射强度的微小变化，团队将这些差异转换为二维彩色图，揭示出在三个主要晶向上延展数百微米的畴迷宫。

观察畴对磁性推动的反应

尽管Γ₁相不显示净磁化，研究者还考察了当晶体在存在微弱磁场的情况下冷却通过相变时这些畴如何响应。出人意料的是，沿某些晶轴翻转磁场方向会使畴的对比度反转——先前表现为吸收增加的区域现在表现为吸收减少，反之亦然——而总体畴形状几乎保持不变。这种行为指向磁化、冻结在晶体中的内应变与反铁磁序之间的微妙三方耦合，称为压磁耦合。尽管由此产生的磁化极其微小，但在相变温度附近足以偏置每个受应变区域中哪一孪生畴占优。

为可控化打开大门

通俗地说，这项研究展示了一种对通常不可见的磁性材料进行非侵入“磁摄影”的方法。通过使用电场和精心选择的光，作者能够绘制出哪种隐藏自旋图案占优及其孪生体的位置，并追踪这些区域如何对温和的磁场和内部应变做出反应。因为相似的交替磁相存在于其他氧化物中——并且在通过成分调控时甚至可以靠近室温出现——该方法提供了一种广泛适用的手段来研究并最终控制这些隐藏的磁图案，这是将交替磁体用于未来自旋电子学和存储器件的重要一步。

引用: Kobayashi, K., Hayashida, T. & Kimura, T. Imaging of altermagnetic domains in orthoferrite DyFeO₃ using electric field-induced nonreciprocal directional dichroism. npj Quantum Mater. 11, 38 (2026). https://doi.org/10.1038/s41535-026-00861-z

关键词: 交替磁性, 磁畴, 光学成像, 压磁性, DyFeO3