几何阻挫 $\alpha$-MCr$_2$O$_4$ 体系（M=Ca, Sr, Ba）中的多铁性

我们利用放电等离子烧结技术成功合成了三种准二维几何阻挫磁性化合物（$\alpha$-MCr$_2$O$_4$，M=Ca, Sr, Ba）。$\alpha$-MCr$_2$O$_4$ 家族的所有成员均由 Cr$^{3+}$ 自旋（${\rm S}=3/2$）的堆叠平面三角晶格构成，并由非磁性碱土离子隔开。我们系统研究了它们相应的磁化率、比热、介电常数和铁电极化。在 $\alpha$-MCr$_2$O$_4$ 家族的每个成员中，长程磁有序出现在 N\'{e}el 温度（约 40K）以下，并在低温下转变为准 120\degree proper-screw 型螺旋自旋结构。非常微小但确证的自发电极化随此磁有序同时出现。发现电极化方向位于基底三角平面内。$\alpha$-MCr$_2$O$_4$ 中的多铁性无法在磁致伸缩或逆 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用的框架内得到解释。观测结果更符合新提出的 Arima 机制，该机制涉及配体与过渡金属离子间的 d-p 杂化，并受自旋 - 轨道耦合修正。随着层间距增加（M 从 Ca 变为 Ba），多铁性质的演变揭示了层间相互作用在这一新型阻挫磁性体系中的重要性。