磁電耦合一般存在于多鐵性體系中，即鐵電有序性可以由磁場調控，同時（反）鐵磁有序性可以由電場來調控，因而這樣一個基本數學特點在多場調控、自旋電子學、傳感和能源等領域中具有重要的基礎研究意義和應用價值。但是，因為自支撐多鐵性氧化物薄膜或二維體系的不穩定性和易碎性凝聚態物理英語，傳統方式極大地限制了相關的偵測和研究，而使那些同時發生的電磁有序和耦合的表征、機制闡明及耦合效應調控顯得極具挑戰性。
中國科大學數學研究所/上海匯聚態化學國家研究中心光化學重點實驗室金奎娟研究員、楊國楨教授課題組常年旨在于借助光學二次紋波形成（,SHG）表征及偵測，以闡明復雜氧化物薄膜的空間反演不對稱、極化耦合和鐵電有序變遷等化學的研究。近些年來凝聚態物理英語，金奎娟研究員率領研究生先后圍繞SHG偵測異質結表面和界面的空間對稱破缺【China,and56,2370-2376(2013)】，SHG偵測氧化物鐵電薄膜的鐵電相態演化【ApplPhysLett112,(2018)】、具有超高熱電性能（與華北科技學院張光祖團隊合作）的ClO4分子的結構對稱性破缺【7,(2021)】等方面舉辦研究。近來，又自主發展了寬溫區、高真空度、多二氧化碳環境SHG光學偵測平臺，與復旦學院林元華院士和南策文教授團隊合作，原位實時偵測了弛豫鐵電薄膜Sm-doped-中的極化耦合變遷，發覺并否認了具有超高儲能密度的超順電態【374,100-104(2021)】。那些研究成果為發展更為先進的SHG方式研究多鐵體系中的磁電耦合打下基礎。
近來，中國科大學數學研究所/上海匯聚態化學國家研究中心L03組的博士生徐帥與結業生王潔素博士（現為上海量子信息科學研究院副研究員）在金奎娟研究員的指導下，使用脈沖激光沉積法制備了多鐵性的外延(BFO)薄膜和自支撐BFO薄膜,借助外加磁場的寬溫區SHG技術研究了多鐵性BFO薄膜中的磁電耦合效應。系統地研究了不同撓度調控下BFO薄膜鐵建電有序和反鐵磁有序隨著外加磁場和濕度的演進,并與數學所白雪冬研究員課題組陳潘博士合作，借助透射電鏡給出了不同撓度調控下薄膜鐵建電序的演化。
研究人員定義了一個光學磁電耦合常數——表示通過磁場控制多鐵性材料中光致非線性極化的能力。發覺應變釋放之后，自支撐BFO薄膜中光學磁電耦合常數的絕對值降低，但是反鐵磁有序和鐵電有序均被抑制。研究人員還發覺，該光學磁電耦合常數在自支撐BFO薄膜中與在襯底上外延生長的薄膜中具有相同的量級，表明磁電耦合效應對于應變釋放具有魯棒性。研究人員償還晰地觀察到外延BFO薄膜中Néel氣溫（反鐵磁-順磁轉變體溫點）為618K的一級相變和自支撐BFO薄膜中飽和磁矩相較于外延BFO薄膜發生了約7倍的提高，前者主要歸因于與電子載流子-軌道耦合相關的-互相作用的變化。研究人員還發覺自支撐BFO薄膜中強悍的磁電耦合效應在溫度下仍可以存在，喻示著其未來在柔性多功能元件中的潛在應用。以上研究表明展示了SHG方式原位無損偵測自支撐等多鐵性薄膜或二維體系鐵建電及反鐵磁有序等化學性質的靈敏性和有效性。。
本研究的相關內容以“inby”為題，于2023年4月20日在線發表在上。化學所博士生徐帥與上海量子信息科學研究院的王潔素副研究員，以及化學所的博士后陳潘(現為化學所副研究員)為共同第一作者，化學所金奎娟研究員為通信作者。主要合作者包括上海量子信息科學研究院的常凱研究員，數學所的白雪冬研究員，上海學院的許秀來院士，數學所的王燦、郭爾佳、葛琛等研究人員。該工作得到了國家重點研制計劃、國家自然科學基金等項目的支持。
相關工作鏈接：
圖1.自支撐BFO薄膜的制備及鐵電性能表征
圖2.寬溫區(各向異性)SHG和外加磁場(H)的各向異性SHG測試
圖3.M-H和外加磁場的SHG測試