近日，我系/国重徐长松青年研究员课题组和向红军教授课题组合作提出了分数量子铁电性的新概念，突破传统铁电性定义，极大拓宽了铁电体的范畴。相关成果以“Fractional quantum ferroelectricity”为题，于1月2日发表在 Nature Communications上。

   一般的铁电体（FE）的自发极化大多源于较小原子位移，如图 1(a)所示，其极化的方向由点群决定。近期的研究表明，部分新型铁电材料具有与晶格常数接近的大原子位移，表现出具有整数量子化极化的铁电性 [QFE，见图1(b)]。该工作引入了一类新型的铁电性，称为分数量子铁电 [FQFE，见图 1(c)]，其极化源于特定的分数位移，且极化的方向总是与对称性矛盾。该工作对全部 230 个空间群的群论分析表明，分数量子铁电可以存在于 28 个点群中，其中 8 个是极性的，20个是非极性的。这一结论使得分数量子铁电性看似违反诺伊曼定理。实际上，铁电极化是一个过程量，它描述了体系从一个状态到另一个状态的过程中的电荷转移量；通常人们认为这两个状态都应该属于极性点群的，而分数量子铁电性表明非极性状态之间也可以有电荷转移，即铁电极化。通过第一性原理计算，该工作不仅解释了实验已观察到的单层α-In₂Se₃中令人费解的面内极化现象（见图2），还预测了具有非极性点群对称性的T_d（F-43m）相AgBr的极化现象（见图3）。该工作突破了传统铁电体概念的局限，打开了铁电材料的新领域，拓展了对这些材料的理解和应用。

 图1. 分数量子铁电（FQFE）的概念图。

    我系博士生季峻仪为论文第一作者，我系博士后喻国粮为共同第一作者，徐长松青年研究员和向红军教授为共同通讯作者。该工作获得了复旦大学物理系，计算物质科学教育部重点实验室，应用表面物理国家重点实验室，国家科技部，国家自然科学基金委，上海期智研究院等的大力支持与资助。向红军课题组主要从事计算凝聚态物理、计算方法和程序发展、机器学习应用等方面的研究。徐长松课题组主要开展计算凝聚态物理（有效哈密顿量、多铁、磁性、斯格明子等）方面的研究。

文章信息：

Fractional quantum ferroelectricity, Junyi Ji, Guoliang Yu, Changsong Xu*, and Hongjun Xiang*, Nat. Commun. 15, 135 (2024)

https://doi.org/10.1038/s41467-023-44453-y

图2. 单层α-In₂Se₃的结构与铁电性。

图3. AgBr的结构与铁电性。