Исследовано взаимодействие Дзялошинского-Мория в мультиферроиках RMn2O5

Понедельник, 22 июня 2020

Группа ученых Лаборатории физики кристаллов Отделения нейтронных исследований НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ совместно с представителями Аахенского университета (Германия) провели масштабный цикл нейтронных исследований по изучению магнитных свойств редкоземельных манганатов RMn2O5 (R – редкоземельный элемент). Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review.

Семейство манганатов RMn2O5 является ярким представителем мультиферроиков II типа; эти соединения демонстрируют наиболее впечатляющие примеры связи между магнитными и электрическими свойствами. Для объяснения магнитоэлектрических свойств этого семейства были выдвинуты несколько теоретических моделей микроскопических взаимодействий, среди которых наибольшей популярностью пользовалась модель обменной стрикции, в рамках которой возникновение электрической поляризации пропорционально скалярному произведению соседних спинов: Pe ~[Si·Sj]. Практически не рассматривалась модель, основанная на антисимметричном обменном взаимодействии Дзялошинского-Мория (ДМ), в рамках которой электрическая поляризация пропорциональна векторному произведению соседних спинов Pe ~[Si×Sj].

Сотрудниками Лаборатории физики кристаллов (И.А. Зобкало, С.В. Гаврилов, А.Н. Матвеева) была поставлена задача в ходе исследований RMn2O5 уточнить микроскопические механизмы, ответственные за корреляции магнитных, электрических, структурных свойств в мультиферроиках RMn2O5. Для этого был выполнен цикл экспериментов на нейтронных установках НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ (ДПН) и MLZ (Германия). В качестве экспериментальных методов исследования были использованы различные методы дифракции поляризованных нейтронов: «полуполяризованный» эксперимент, XYZ-поляризационный анализ, сферическая нейтронная поляриметрия (SNP). Выбор рассеяния поляризованных нейтронов для решения такой задачи не случаен. С одной стороны, предполагаемый механизм индуцирования электрической поляризации обязан своим происхождением киральным явлениям, с другой стороны, ни одна экспериментальная методика не является настолько подходящей для исследования киральных явлений, как рассеяние поляризованных нейтронов, также являющихся киральными объектами.

Это позволило получить уникальные результаты, напрямую свидетельствующие о наличии антисимметричных взаимодействий ДМ в исследуемых соединениях, ранее лишь изредка предполагавшихся. Результаты экспериментов по TbMn2O5 (по-видимому, это самый популярный мультиферроик из серии RMn2O5), выполненных различными методами рассеяния поляризованных нейтронов на различных установках, хорошо согласуются друг с другом и позволяют сделать заключение о том, что антисимметричное взаимодействие ДМ отчетливо проявляется во всех магнитных фазах этого соединения и его эффект нельзя считать пренебрежимо малым [1].

В ходе экспериментов с NdMn2O5 была исследована трансформация киральной магнитной структуры в некиральную. Показано, что что киральное нейтронное рассеяние появляется только в том же диапазоне, что и сегнетоэлектрическая поляризация [2].  Это подтверждает выводы, сделанные в [1], и позволяет сделать предположение о том, что взаимодействие ДМ не только существует в RMn2O5, но также является необходимой предпосылкой появления сегнетоэлектрической поляризации в этих соединениях, усиленной затем обменно-стрикционным механизмом.

Вообще, физика мультиферроиков – соединений, где сосуществуют несколько типов упорядочения – вызывает огромный интерес у исследователей. Чаще всего при упоминании мультиферроиков имеется в виду сосуществование магнитного и сегнетоэлектрического порядков. Особое внимание привлекают материалы, в которых эти виды упорядочения не только сосуществуют, но и взаимодействуют между собой – т.н. «несобственные» мультиферроики или мультиферроики II типа. Многочисленные исследования показывают, что в таких соединениях электрическая поляризация возникает вследствие магнитного упорядочения. Помимо эффектов, связанных с каждым типом упорядочения в отдельности, в мультиферроиках II типа проявляются новые явления, связанные с взаимодействием электрической и магнитной подсистем. Эта связь приводит к различным магнитоэлектрическим эффектам, вызывающим высокий научный интерес с точки зрения изучения фундаментальных явлений при взаимодействии разных параметров порядка. С другой стороны, подобные явления имеют высокий потенциал практического использования в различных областях спинтроники, таких как энергосберегающие технологии, беспроводная передача энергии, запоминающие устройства. Определение микроскопических механизмов взаимодействия магнитной и электрической подсистем в мультиферроиках II типа обеспечит перспективы создания функциональных материалов на их основе, и, в то же время, является одной из актуальных задач физики конденсированного состояния.

  1. I.А. Zobkalo, S.V. Gavrilov, A. Sazonov, V. Hutanu. Investigation of TbMn2O5 by polarized neutron diffraction. J. Phys.: Condens. Matter 30, 205804 (2018).
  2. I.А. Zobkalo, A.N. Matveeva, A. Sazonov, S.N.Barilo, S.V. Shiryaev, B. Pedersen, V. Hutanu. Direct control of magnetic chirality in NdMn2O5 be external electric field. Phys. Rev. B 101, 064425 (2020).
Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт