铁磁体PbMnBO4中非共面反铁磁交换的DM矢量方向判定准则与机制研究

本研究针对多铁性材料PbMnBO4中非共面双桥交换路径导致的Dzyaloshinsky-Moriya（DM）相互作用方向不明确问题，提出基于配体分布不对称性的判定准则，揭示了Mn3+离子链间通过O1/O3双配体路径的DM矢量定向机制，为磁性材料各向异性设计提供了理论依据。

　　

磁性材料领域长期面临非共面双桥交换体系中Dzyaloshinsky-Moriya（DM）相互作用方向难以预测的挑战。以铅锰硼酸盐PbMnBO₄为例，这种罕见的铁磁有序多铁性材料因其Mn³⁺离子链间通过O₁/O₃双氧桥形成的20°非共面角结构，成为研究DM矢量定向机制的理想模型。传统单桥交换的Keffer规则在此失效，而对称性约束又无法直接判定矢量方向，这严重制约了材料磁各向异性的精准调控。

为破解这一难题，研究人员通过分析配体投影分布不对称性与DM矢量的几何关联，创新性提出非共面双桥交换的定向准则。研究发现，PbMnBO₄中DM矢量方向与O₁-Mn-O₃平面正交，且指向配体投影差异最大方向。理论推导表明，该取向源于双桥交换对自旋轨道耦合（SOC）和晶体场效应的协同放大，其强度可达单桥交换的十倍。这一发现不仅解释了实验观测的磁化曲线非线性特征，更为设计新型磁电耦合材料提供了普适性判据。

研究采用三大关键技术：1）晶体场理论分析Mn³⁺的t_2g³e_g¹电子构型；2）二阶微扰理论计算双桥DM相互作用；3）磁化曲线拟合反演各向异性参数。

各向异性交换机制
通过构建PbMnBO₄的MnO₆八面体链结构模型，发现DM矢量D₁₂由O₁单桥（D_O1）、O₃单桥（D_O3）和双桥（D_O1,O3）三部分构成。非共面几何导致双桥分量主导总矢量方向，其强度与配体投影差Δr∝[r_n×r_n′]成正比。

电子结构调控
Mn³⁺的Jahn-Teller畸变使e_g轨道能级分裂，通过d-p杂化增强氧桥介导的超交换。第一性原理计算显示，双桥路径的SOC矩阵元比单桥高一个数量级。

磁性能关联
实验测得DM矢量与易磁化轴呈55°夹角，该取向使磁场驱动自旋重取向需克服1.2T能垒。理论预测与磁化曲线拐点H_b/H_c的观测值误差小于5%。

这项研究建立了非共面交换体系的DM矢量预测范式，阐明PbMnBO₄铁磁有序的微观起源。其提出的"最大投影不对称性"准则可推广至其他3d过渡金属化合物，为开发低功耗自旋电子器件提供了新思路。论文成果发表于《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》，通讯作者S.N. Martynov强调该机制对理解多铁性材料中磁电耦合效应具有普适价值。