撰稿 / 秦紀維（科推中心特約編輯）、吳紘丞助理教授（國立中山大學物理學系（所））

審訂 / 吳紘丞助理教授（國立中山大學物理學系（所））

　　自旋電子學利用電子的自旋自由度進行資訊儲存與傳輸，為發展低功耗記憶、感測與邏輯元件提供重要方向。其中，多鐵性材料（multiferroics）可同時具有磁有序與自發電極化等不同物理性質，並透過自旋、電荷與晶格之間的交互作用產生磁電效應（magnetoelectric effect）等豐富耦合現象，使磁性得以受電場調控，或反過來利用磁場改變電極化，因此成為新世代多功能元件的重要候選材料。
　　近年來，二維與準二維磁性材料快速發展。低維晶格不僅具有高度各向異性的磁性交互作用，也提供豐富的對稱性破缺與自旋-晶格耦合機制，為實現新型多鐵性帶來新的可能。然而，許多低維多鐵材料的磁性與電極化轉變溫度仍偏低，限制了實際應用。本研究聚焦於準二維反鐵磁材料 CrSbS₃，發現其磁性與電性轉變皆出現在約 90 K，不僅高於液態氮沸點（77 K），更呈現兩種不同微觀來源的電極化，為探索高溫低維多鐵性提供新的材料平台。
　　本研究由國立中山大學物理系吳紘丞助理教授與楊弘敦講座教授團隊主導，並與中央研究院物理研究所林宮玄老師、尖端晶體材料聯合實驗室呂欽山教授及郭家農副教授、高雄大學物理系邱昭文教授、國家同步輻射研究中心王進威博士、日本高能加速器研究機構（KEK）Daisuke Okuyama 副教授及澳洲 ANSTO 等研究團隊合作。吳紘丞助理教授亦為尖端晶體材料聯合實驗室（TCECM）成員，研究聚焦於凝態物理與量子磁性材料，結合材料合成、高壓物性、X 光及中子散射等實驗技術，探索晶格、電子與磁性之間的交互作用。本研究進一步整合 ANSTO 中子繞射、KEK 同步輻射 X 光繞射與 NSRRC 45A2 光束線
Cr L-edge X 光吸收光譜，系統性解析 CrSbS₃ 的晶體、磁性與電子結構，釐清其高溫多鐵性的微觀起源。研究成果於 2026 年發表於《Advanced Science》。
 
　　結構分析顯示，CrSbS₃屬於正交晶系 Pnma 空間群，由共邊 CrS₆八面體構成層狀鋸齒網絡，呈現準二維結構特徵。磁性量測顯示其在約 90 K 發生反鐵磁轉變，中子粉末繞射進一步確認低溫下形成 C 型反鐵磁序，對應非中心對稱磁空間群 Pnm′a。磁性臨界指數 β ≈ 0.23 亦符合準二維磁性系統的特徵，顯示其晶體結構與磁性交互作用皆具有明顯的低維特性。
 
　　變溫及變磁場下介電與熱釋電量測進一步發現，CrSbS₃的電性異常與磁性轉變同樣出現在約 90 K，顯示磁性與電極化之間具有緊密關聯。零磁場下會產生微弱的自發極化P₁，施加磁場後則出現額外的磁場誘發極化 P₂。其中，P₂ 與 Pnm′a 反鐵磁序所伴隨的反演對稱性破缺相呼應，使磁電耦合與磁場誘發電極化成為可能。
　　至於零磁場自發極化 P₁，同步輻射 X 光繞射與 Cr L-edge X 光吸收光譜顯示，約 90 K 附近伴隨 Cr-S 局部結構與電子態的變化，支持部分電荷轉移為 P₁ 的微觀來源；二次諧波產生（second-harmonic generation, SHG）訊號的增強則進一步支持反演對稱性破缺。同一溫區還觀察到沿 c 軸的負熱膨脹與拉曼聲子的反常軟化，反映 Cr-Cr 直接交換與 Cr-S-Cr 超交換作用的競爭，以及顯著的自旋-晶格-聲子耦合。
　　本研究揭示 CrSbS₃ 在約 90 K 所呈現的高溫多鐵性具有兩種不同的極化機制：部分電荷轉移驅動零磁場自發極化 P₁，而反演對稱性破缺的反鐵磁序則與磁場誘發極化 P₂ 密切相關。這些結果描繪出電荷、自旋、晶格與聲子彼此交織的微觀圖像，拓展了低維硫屬化合物的多鐵性研究，並為探索更高工作溫度的多鐵材料與磁電功能元件提供新的材料設計方向。此成果亦展現量子磁性材料合成、巨觀物性量測、同步輻射 X 光與中子散射等多元實驗技術的整合，對於解析新興量子磁性材料微觀機制的重要性。

參考文獻
Wu, H. C., Liao, Y. H., Tsai, C. C., Yang, P. Y., Chang, Y. H., Liang, Y. H., ... & Yang, H. D. (2026). New High-Tc Charge-Transfer Multiferroicity in the Quasi-2D Antiferromagnet CrSbS₃. Advanced Science, e23579. DOI: 10.1002/advs.202523579