近日，北京理工大学物理学院余智明教授、张闰午研究员和姚裕贵院士团队在反铁电性的研究中取得重要进展。该团队超越传统反铁电理论框架，提出了“第二类反铁电性”的概念，在第二类反铁电体中首次实现了反铁电序参量的定量研究，并极大地拓宽了反铁电材料的存在范围。通过对称性分析，该团队给出了第二类反铁电性在晶体中的存在条件，发现该体系中反铁电序参量和反铁磁序或交错磁序必然耦合在一起，展现出稳健且新奇的磁电耦合效应。该工作以“Type-II Antiferroelectricity”为题发表于国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》。北京理工大学为该工作的第一完成单位，余智明教授、张闰午研究员、杨声远教授（香港理工大学）和姚裕贵教授为论文的共同通讯作者，博士生汪洋为论文的第一作者，崔朝喜、韩依琳，何婷丽和吴维康（山东大学）等参与了该项研究工作。该工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。
反铁电性是物理和材料科学中一个重要的基本概念，于20世纪50年代被提出。传统反铁电体中电偶极矩在晶格内以反平行方式有序排列，净电极化为零，如图1所示。迄今为止，反铁电材料已在多个材料体系中被发现，并因其在高性能电容器、固态制冷、致动器、换能器以及存储器件等方面的潜在应用而受到广泛关注。但是，传统反铁电体一直存在一个关键的基本问题，也即，其与现代电极化理论并不完全相容，使得反铁电序在传统反铁电体中没有公式进行定量计算，在实际中只能近似估计。
图1：(a) 传统反铁电体，(b) 第二类反铁电体
近日，北京理工大学余智明教授，姚裕贵院士团队和香港理工大学杨声远教授合作超越传统反铁电理论框架，创新性地提出了一类新的反铁电体：第二类反铁电性。在第二类反铁电体中，体系的反铁电性并非来自实空间的晶格畸变而是不同本征态的电子具有相反的电极化。具体而言，第二类反铁电体的价带可通过对称性分解为相互解耦但又有对称性联系的两个子空间。在这两个子空间中，价带电子的电极化可以通过贝里相位理论严格计算得到，假定为P+和P-。当P+=- P-，体系的净极化为零，但具有可良好定义并严格计算的反铁电序：Q= (P+- P-)/2。对称性分析表明第二类反铁电体中反铁电序必然与反铁磁序或交错磁序共存，即它们具有内禀的多铁性。根据对称性的差异，第二类反铁电体可进一步划分为多个子类，例如自旋反铁电和镜面反铁电等。研究团队也列出了能够荷载自旋反铁电和镜面反铁电的晶体群。
图2：(a) 晶格模型，(b) 电子能带，(c) 反铁电序和反铁磁序的耦合关系
图3：(a) FeS的晶格结构，(b) 电子能带，(c) 自旋分辨的电极化
进一步，研究团队也构建了具体的晶格模型以展示其基本物理机制，并在多种材料体系中预言了具体的自旋反铁电材料，包括FeS、Cr₂O₃、MgMnO₃、单层MoICl₂以及双层CrI₃。相比于传统的反铁电体，第二类反铁电体会表现出独特物理性质，例如在反铁电序翻转时会产生纯自旋电流、在边界和畴壁处会出现自旋极化，以及强磁电耦合效应。
图4：(a) 单层MoICl₂ 的晶格结构，(b) 非相对论能带
该研究揭示了一类不同于传统反铁电体的新型反铁电体系。第二类反铁电体的提出不仅极大地扩展了反铁电材料的存在范围，而且其本征多铁性和独特性质在基础研究和潜在器件应用方面均具有重要意义。
图5：(a) 自旋反铁电序翻转产生自旋流的示意图，(b) 自旋反铁电体的畴壁处可具有自旋积累，(c) 异质结的能带，(d) 自旋极化能带的实空间分布。
文章信息（*为通讯作者）：Yang Wang, Zhi-Ming Yu*, Chaoxi Cui, Yilin Han, Tingli He, Weikang Wu, Run-Wu Zhang*, Shengyuan A. Yang*, and Yugui Yao*, “Type-II Antiferroelectricity”, Phys. Rev. Lett. 136, 106402 (2026).
