近日，我系徐长松青年研究员课题组和向红军教授课题组提出了一种快速发现大量分数量子铁电体的对称性策略。相关研究成果以“Symmetry Strategy for Rapid Discovery of Abundant Fractional Quantum Ferroelectrics”为题，于2025年1月8日发表在《Physical Review Letters》上。

铁电材料在高密度、低能耗非易失性存储器等领域具有巨大的应用潜力。根据诺伊曼原理（Neumann's Principle），传统铁电性仅存在于10个极性点群。然而，我们近期的研究提出了一种新型的分数量子铁电性（FQFE）【Ji et al., Nat. Commun. 15, 135 (2024)】，其极化源自于特定的晶格矢量分数倍的原子位移（见图1b和1c）。与传统铁电性不同，分数量子铁电性可以存在于27个点群中，包括7个极性点群和20个非极性点群。尽管分数量子铁电性在理论上广泛存在，但已知的分数量子铁电体却非常稀少。因此，开发高效的方法来快速识别潜在的分数量子铁电体尤为重要。

本研究提出了一种基于群论和晶体对称性分析的策略，用于高效发现大量分数量子铁电体（见图 2a和2b）。该策略涉及的搜索分数量子铁电体的方法已加入向红军教授课题组自主研发的程序软件包PASP。通过结合PASP软件包与高通量筛选方法，该工作在已经实验合成的的材料中确定了221种潜在的分数量子铁电体（见图2c和2d）。基于筛选结果，分数量子铁电性的概念得到进一步扩展，分为Type-I和Type-II两类，分别对应分数和整数量子极化（见图1b和1c）。此外，第一性原理计算表明，体相AlAgS₂表现出平面内Type-I FQFE和平面外的常规铁电性，且极化切换势垒仅为23 meV/f.u.（见图3）。更有趣的是，具有非极性点群的单层HgI₂表现出自发极化为42 μC/cm²的Type-II FQFE（见图4）。本文提出的对称性策略深化了分数量子铁电性的概念，预测的大量分数量子铁电体为实验研究者提供了丰富的候选材料。

我系博士后喻国粮为论文第一作者，博士生季峻仪为共同第一作者，博士生陈英炜参与了该工作，徐长松青年研究员和向红军教授为共同通讯作者。该工作获得了复旦大学物理系，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，北京凝聚态物理国家实验室，国家科技部，国家自然科学基金委，上海科学技术委员会，小米青年人才计划，量子科技创新计划，国家创新人才博士后计划等的大力支持与资助。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。

文章信息：

Symmetry Strategy for Rapid Discovery of Abundant Fractional Quantum Ferroelectrics, Guoliang Yu^*, Junyi Ji^*, Yingwei Chen, Changsong Xu^†, and Hongjun Xiang^‡, Phys. Rev. Lett. 134, 016801 (2025).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.016801

图1.铁电体的分类。(a) 常规FE、(b)Type-I FQFE和(c) Type-II FQFE的示意图。

图2. FQFE候选材料的对称性策略和高通量筛选。

图3. 块体相AlAgS₂中的Type-I FQFE。

图4.单层HgI₂中的Type-II FQFE。