Наука и образование

Ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ изучают мультиферроики – материалы с новыми возможностями

В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ продолжаются исследования механизмов формирования физических свойств мультиферроиков – материалов, в которых можно управлять магнитным порядком приложением электрического поля и наоборот – индуцировать электрическую поляризацию магнитным полем. Именно это обстоятельство открывает потенциальную возможность использования мультиферроиков в практических приложениях.

Выполненные в Лаборатории физики кристаллов Отдела исследования конденсированного состояния Отделения нейтронных исследований эксперименты дают богатый экспериментальный материал для понимания механизмов формирования физических свойств новых мультиферроиков. Исследования ведутся широким фронтом – используются методы упругого и неупругого рассеяния нейтронов (НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ) в сочетании с терагерцовой (А.А. Мухин, Институт Общей физики им. Прохорова РАН) и оптической спектроскопией (М.Н. Попова, Институт Спектроскопии РАН), а также с магнитные и магнитоэлектрические измерения.

В частности, одними из новых объектов являются – сложные соединения с составом ReFe₃(BO₃)₄, где Re – ион редкоземельного металла. Интерес к этим материалам обусловлен сильной зависимостью электрической поляризации от приложенного магнитного поля, что очень важно для практического применения. В ферроборатах-мультиферроиках магнитный порядок в редкоземельной решетке индуцируется подрешеткой железа, порядок в которой, в свою очередь, определяется взаимодействием с редкоземельной подсистемой.

В соединениях с разными редкоземельными ионами реализуется либо магнитная структура типа "легкая плоскость" с моментами в плоскостях, перпендикулярных гексагональной оси, в частности, в NdFe₃(BO₃)₄, либо структура "легкая ось", с моментами вдоль оси, как в TbFe₃(BO₃)₄. Поэтому в смешанной системе Nd(Tb)Fe₃(BO₃)₄ следует ожидать сложных неколлинеарных магнитных структур.

Действительно, с помощью упругого рассеяния на монокристаллах была обнаружена слабая неколлинеарность магнитной структуры, т.е. не параллельность магнитных моментов, которая обусловлена слабым взаимодействием Дзялошинского-Мория. Этот феномен может быть назван "слабым антиферромагнетизмом" по аналогии с хорошо известным "слабым ферромагнетизмом". Более того, из экспериментальных данных удалось сделать количественную оценку величины взаимодействия Дзялошинского-Мория по отношению к основному обменному взаимодействию [2].

Эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов на замещенных ферроборатах Nd(Tb)Fe₃(BO₃)₄ [3] и в крайних, реперных составах NdFe₃(BO₃)₄ [1] и TbFe₃(BO₃)₄ показали сложную динамику магнитных возбуждений при эволюции магнитной структуры от состояния "легкая плоскость" к состоянию "легкая ось". Оказалось, что адекватное описание спин-волновых спектров возможно только при учете большого числа обменных взаимодействий, до 12 координационных сфер. Из магнонных спектров в рамках линейной теории определены величины обменных взаимодействий и параметры анизотропии. Оказалось, что величина обменного взаимодействия остается весьма заметной даже на очень больших расстояниях, до ~ 7 Å, что очень необычно.

Если в ферроборатах Nd(Tb)Fe₃(BO₃)₄ переход от структуры "легкая плоскость" к структуре "легкая ось" связан с изинговским ионом Tb, который стабилизирует легкоосное состояние, то в ферроборате HoFe₃(BO₃)₄ переход от структуры "легкая ось" к структуре "легкая плоскость" при изменении температуры или магнитного поля связан с переориентацией магнитных моментов. Проведенный симметрийный анализ показывал, что магнитная структура в состоянии "легкая плоскость" должна описываться двумерным представлением, что приводит к большому числу варьируемых параметров. Поэтому однозначно определить направление магнитных моментов при небольшом числе дифракционных рефлексов (~ 200) из нейтронографии не удается. Проблема была решена привлечением оптической спектроскопии высокого разрешения. Предложенная модель была подтверждена измерениями на поляризованных нейтронах и прекрасно согласуется с измеренными температурными зависимостями интенсивностей характерных рефлексов [4].

Этот цикл работ был опубликован в ведущих физических журналах и недавно доложен на Конференции по использованию рассеяния нейтронов в исследовании конденсированных сред (РНИКС-2021), которая состоялась в Екатеринбурге в конце сентября.

1. I.V. Golosovsky, A.K. Ovsyanikov, D.N. Aristov, P.G. Matveeva, A.A. Mukhin, M. Boehm, L-P. Regnault, L.N. Bezmaternykh, “Spin-wave dynamics and exchange interactions in multiferroic NdFe₃(BO₃)₄ explored by inelastic neutron scattering”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 451,443, 2018.
2. V. Golosovsky, A.I. Vasilev, A.A. Mukhin, E. Ressouche, V. Skumryev, I. Urcelay-Olabarria, I.A. Gudim, and L. N. Bezmaternykh, "Complex magnetic order in the Nd(Tb)Fe₃(BO₃)₄ multiferroic revealed by the single crystal neutron diffraction". Physical Review B, 99, 134439, 2019.
3. V. Golosovsky, A.A. Mukhin, V. Skumryev, M. Boehm, W. Schmidt, L-P. Regnault, and I.A. Gudim, “Magnetic excitations and exchange interactions in the substituted multiferroics (Nd,Tb)Fe₃(BO₃)₄ revealed by inelastic neutron scattering”. Physical Review B, 103, 214412, 2021.
4. N. Popova, E.P. Chukalina, D.A. Erofeev, I.A. Gudim, I.V. Golosovsky, A. Gukasov, A.A. Mukhin, and B. Z. Malkin, “High-resolution optical spectroscopy, magnetic properties, and single-crystal neutron diffraction of multiferroic HoFe₃(BO₃)₄: Magnetic structure”, Physical Review B, 103, 094411, 2021.