锰氧化物双交换模型中铁电极化的自旋依赖性

系统地应用双交换 (DE) 模型研究了几种典型多铁性锰氧化物中铁电 (FE) 序与磁序之间的耦合。该模型基于 Wannier 函数构建，针对磁性活跃的 Mn $3d$ 能带，并包含了屏蔽 onsite 库仑相互作用的影响。我们处理 FE 极化的核心方法是使用用占据的 Wannier 函数表述的 Berry 相位理论，并在 DE 模型框架下评估这些函数的非对称自旋依赖变化。这使我们能够量化磁对称性破缺的影响，并推导出电子极化 ${\bf P}$ 的几个有用表达式，其取决于自旋的相对方向。所提出的理论应用于解决三个主要问题：(i) 六方锰氧化物中 ${\bf P}$ 的磁态依赖性；(ii) 单斜 BiMnO$_3$ 中倾斜铁磁性与 ${\bf P}$ 之间的微观关系；(iii) 正交锰氧化物中 FE 活性的起源。我们表明，对于沿正交 $\boldsymbol{b}$ 轴传播且 $\boldsymbol{c}$ 轴反铁磁耦合的任意非共线磁结构，${\bf P}$ 可以通过缩放 E 相的 ${\bf P}$ 获得，其比例因子仅取决于自旋的相对方向，是自旋不均匀性的度量。这一图像同样适用于二重周期 (HoMnO$_3$) 和四重周期 (TbMnO$_3$) 锰氧化物。基本区别在于，二重周期磁结构具有强烈的不均匀性，导致较大的 ${\bf P}$。相反，四重周期磁结构可视为适度畸变的均匀自旋螺旋，对应较弱的 ${\bf P}$。