北京理工大学物理学院余智明教授，姚裕贵教授团队在第二类反铁电性研究方面取得重要进展

2026年3月11日

近日，北京理工大学物理学院余智明教授，姚裕贵教授团队在反铁电性的研究中取得重要进展。针对当前反铁电理论框架下反铁电序参量无法定量计算而引起对反铁电性定义的争议，该团队颠覆性地提出了“第二类反铁电”的概念，首次实现了反铁电序参量的定量研究，并极大地拓宽了反铁电材料的存在范围。通过对称性分析，给出了这类全新反铁电性的对称性条件，发现第二类反铁电性的序参量和反铁磁序本征的耦合在一起，展现出了强烈的磁电耦合性质。该工作以“Type-II Antiferroelectricity”为题发表于国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》。北京理工大学为该工作的第一完成单位，张闰午特别研究员、余智明教授、杨声远教授（香港理工大学）和姚裕贵教授为论文的共同通讯作者，博士生汪洋为论文的第一作者，崔朝喜、韩依琳，何婷丽和吴维康（山东大学）等参与了该项研究工作。该工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。

反铁电性在物理和材料科学中是一个基本的概念。反铁电性的概念最早在20世纪50年代被提出。它指的是这样一类介电材料：其内部存在自发有序的电偶极矩，并以反平行的方式排列，从而使体系的净电极化为零。迄今为止，反铁电材料已在多个材料体系中被发现，并因其在高性能电容器、固态制冷、致动器、换能器以及存储器件等方面的潜在应用而受到广泛关注。

这些传统反铁电体的物理图像是一个实空间图像，即需要在晶体晶格中识别局域的电偶极矩，以及这些偶极矩的反平行排列方式，如图1所示。因此，这种描述与能带理论并不完全相容，因为后者依赖于布洛赫态以及动量空间的描述。该情况不同于铁电性：在铁电体系中，其序参量可以完全在能带理论框架下表述，并由布洛赫态的贝里相位给出。相比之下，反铁电性的序参量并不存在严格的能带表述，在实际中只能进行近似估计。这也导致了对反铁电性物态的定义一直存在一些争议（如：集成铁电之父J.F. Scott明确表示“antiferroelectricity is an ill defined, almost useless concept”【RMP 46, 83 (1974)】）。

近日，北京理工大学余智明教授，姚裕贵教授团队创新性地提出了一类新的反铁电体，称为第二类反铁电体。它指的是这样一类介电材料：在特定的对称性条件下，价带可以被分解为两个子空间。每个子空间都是极性的，具有非零电极化，但两个子空间的极化方向相反，从而使体系的净极化为零。对于这类反铁电体，其序参量具有良好定义的贝里相位理论，可以从能带结构中进行定量计算。因此，与现代电极化理论完全兼容。

进一步地，根据对称性的差异，第二类反铁电体可进一步划分为多个子类，例如自旋反铁电和镜面反铁电等。研究团队主要关注具有自旋旋转对称性的自旋反铁电体这一子类。通过对称性分析，发现第二类反铁电序必须与反铁磁序共存，即它们具有内在的多铁性，并列出了自旋反铁电可以存在的所有共线自旋点群。

另外，研究团队构建了具体的晶格模型以展示其基本物理机制，并预言了若干具体的自旋反铁电材料，包括FeS、Cr₂O₃、MgMnO₃、单层MoICl₂以及双层CrI₃。相比于传统的反铁电体，第二类反铁电体会表现出独特物理性质，例如在反铁电序翻转时会产生纯自旋电流、在边界和畴壁处会出现自旋极化，以及强磁电耦合效应。该研究揭示了一类不同于传统反铁电体的新型反铁电体系。其提出不仅极大地扩展了反铁电材料的存在范围，而且其多铁性本质及独特性质在基础研究和潜在器件应用方面均具有重要意义。

图1 (a) 传统反铁电体，(b) 第二类反铁电体。

图2 (a) 晶格模型，(b) 非相对论能带，(c) 反铁电序和反铁磁序的耦合关系。

图3 (a) FeS的晶格结构，(b) 非相对论能带，(c) 自旋分辨的电极化。

图4 (a) 单层MoICl₂ 的晶格结构，(b) 非相对论能带。

图5 (a) 反铁电序翻转产生自旋流的示意图，(b) 两个反铁电序相反的自旋反铁电边界的畴壁示意图，(c) 异质结的能带，(d) 自旋极化畴壁的实空间分布。