Sc 替代六角 YbFeO$_3$ 的磁结构与多铁性

六角稀土铁氧体 RFeO$_3$ 家族代表一类独特的多铁材料，表现出弱铁磁性，并预测存在磁性与结构三聚化的强耦合。然而，常规条件下 RFeO$_3$ 的六角结构仍属亚稳。我们通过对 Yb 进行部分 Sc 替代，成功稳定了多晶 YbFeO$_3$ 的六角结构。利用宏观磁学与中子衍射，我们发现 Yb$_{0.42}$Sc$_{0.58}$FeO$_3$ 在尼尔温度 $T_N$ ~ 165 K 以下进入倾斜反铁磁态，其中 $Fe^{3+}$ 磁矩在 $ab$ 面内形成三角构型，其面内投影平行于 [100] 轴，与磁空间群 $P$6$_{3}$$c'm'$ 一致。确定自旋倾斜沿 $c$ 轴排列，从而产生弱铁磁性。此外，$Fe^{3+}$ 磁矩在重取向温度 $T_R$ ~ 40 K 以下转向新方向，满足磁子群 $P$6$_{3}$，而 $Yb^{3+}$ 磁矩在特征温度 $T_{Yb}$ ~ 15 K 以下沿 $c$ 轴独立且亚铁磁地有序。有趣的是，低温下实现了磁场诱导的可复现电极化调制，表明与 Yb/Sc 面两上一下屈曲及 FeO$_5$ 双锥倾斜相关的精细结构畸变，可能介导了磁场下铁电与磁有序之间的耦合。本工作代表了在六角铁氧体及相关材料中寻找高温多铁材料的实质性进展。