近日，物理系/国重徐长松青年研究员和向红军教授课题组在堆叠铁电的研究中取得重要进展。相关成果于4月4日发表于 “General Theory for Bilayer Stacking Ferroelectricity” Physical Review Letters 130, 146801 (2023) (文章链接https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.146801)，并获得“Editors’ Suggestion” 和 “Featured in Physics”.

二维铁电材料在自然界中较为罕见，但在高密度、低能耗非易失存储器等方面的潜在应用。本文提出了一种双层堆叠铁电性(BSF)的理论，研究了双层材料在不同旋转和平移的情况下所表现出的铁电性。通过系统的群论分析，他们遍历了所有80个层群(LGs)中可能存在的BSF，并总结了双层体系的对称操作的演生和湮灭规律。利用这些规律，只需要知道单层材料的对称性（层群）就容易判断相应的双层材料在任意平移和特殊旋转情况下的铁电性。他们的通用性理论不仅可以解释以前的所有发现(包括滑移铁电性)，还提供了更加全面的视角。该研究发现，双层的电极化方向可能与单层完全不同；而且通过恰当堆叠两个中心对称的非极性单层，双层可能变成铁电材料。通过第一性原理模拟，他们将铁电性引入到中心对称的典型二维铁磁材料CrI₃中，从而实现多铁性。此外，他们发现在双层CrI₃中，垂直于平面的电极化与平面内的电极化相互锁定，提出可以通过施加面内的电场操纵垂直于平面的电极化。本文提出的BSF理论为设计大量双层铁电、多铁材料奠定了坚实的基础，从而为基础研究和应用提供了强大的理论工具。

该工作获得了复旦大学物理学系，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，科技部国家重点研发计划，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。该论文的第一作者为我系博士生季峻仪。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。

图1. 双层堆叠导致的对称操作的演生和湮灭规律。

图2. 由中心反演的CrI₃单层堆叠构造出的双层结构表现出奇异的铁电性和多铁性。