[論文レビュー] Electric field control of the magnetic chiralities in ferroaxial multiferroic RbFe(MoO4)2

Alexander J. Hearmon, F. Fabrizi+6 more|Durham Research Online (Durham University)|Feb 10, 2012

Multiferroics and related materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、中性子球面偏光測定を用いて、強誘電性軸性多フェロイック化合物 RbFe(MoO4)2 において、電場による磁気ヘリシティおよび三角的キラリティの両方の制御を実証した。構造的軸性が媒介するヘリシティと三角的キラリティの結合により、外部電場を用いて両キラリティを両軸性領域で同時にスイッチ可能であり、フェロアキシャル歪みに起因する相対論的磁気電気効果の存在を明らかにした。

ABSTRACT

The coupling of magnetic chiralities to the ferroelectric polarisation in multiferroic RbFe(MoO$_4$)$_2$ is investigated by neutron spherical polarimetry. Because of the axiality of the crystal structure below $T_ extrm{c}$ = 190 K, helicity and triangular chirality are symmetric-exchange coupled, explaining the onset of the ferroelectricity in this proper-screw magnetic structure - a mechanism that can be generalised to other systems with "ferroaxial" distortions in the crystal structure. With an applied electric field we demonstrate control of the chiralities in both structural domains simultaneously.

研究の動機と目的

• フェロアキシャル多フェロイック化合物 RbFe(MoO4)2 における構造的軸性が磁気電気結合をどのように可能にするかを調査すること。
• この系において、磁気ヘリシティと三角的キラリティがフェロエレクトリック分極とどのように関連しているかを特定すること。
• 両軸性領域において、電場を用いて両キラリティを同時に制御できるかを実験的に示すこと。
• 磁気電気効果の微視的起源を明確にし、ヘリシティと軸性歪みの寄与を区別すること。

提案手法

• 複雑な磁気散乱振幅を測定し、磁気モーメントの虚部を抽出することで、キラリティを直接プローブするため、中性子球面偏光測定が用いられた。
• 非対角成分（P_yx, P_zx）の解析により、ヘリシティと三角的キラリティの異なる組み合わせを持つ磁気ドメインの分布が独自に特定された。
• 両軸性領域におけるキラリティのスイッチング挙動を調査するため、異なる電場強度および極性での電場冷却実験が実施された。
• 第一原理バンド構造計算（LSDA+U、U = 4.5 eV、J_H = 1.0 eV）を用いて、交換相互作用 J1 = 1.0 K および J2 = 0.3 K を推定した。
• 三重線形結合 σ_h A P_z および σ_t P_z を含む、系の磁気電気効果を記述する体系的自由エネルギーモデルが用いられた。ここで A は軸性ベクトルを表す。
• 理論的モデルにより、電場による (++, ++) と (−,−) 状態間のエネルギー分裂が電場に比例することを示し、7.5 kV/cm での分裂はスピンあたり 4×10⁻⁴ K であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造的軸性は、RbFe(MoO4)2 において磁気ヘリシティと三角的キラリティの結合をどのように媒介するか？
• RQ2 外部電場は、フェロアキシャル多フェロイック材料において、磁気ヘリシティと三角的キラリティの両方を同時に制御可能か？
• RQ3 この系における磁気電気効果に対して、ヘリシティと軸性歪みの寄与はそれぞれどの程度か？
• RQ4 2つの異なる軸性領域において、電場冷却下でのキラル磁気ドメインの分布はどのように変化するか？

主な発見

• 7.5 kV/cm の電場を印加すると、(++, ++) と (−,−) 磁気状態間のスピンあたり 4×10⁻⁴ K のエネルギー分裂が誘発され、キラリティの直接的電場制御が確認された。
• +7.5 kV/cm での電場冷却では、(++, +) および (+, −) ドメインのみが励起され、−7.5 kV/cm での冷却では (−, −) および (−, +) ドメインが励起されることから、両軸性領域で両キラリティが同時にスイッチングされることが示された。
• P_zx に対する電場依存性のヒステリシスが測定され、キラリティの可逆的スイッチングが確認された。また、異なる軸性領域に由来するピークのスイッチング電場が明確に異なっていた。
• 理論的モデルにより、ヘリシティと軸性歪みの結合（フェロアキシャル結合）が、磁気ヘリシティの安定化および観察された磁気電気効果の実現に不可欠であることが確認された。
• 三角的キラリティへの結合項と、軸性歪み経由のヘリシティへの結合項の両方が、相対論的起源であるが、異なる微視的メカニズムに起因している。
• 2つの軸性領域が存在するにもかかわらず、全サンプルの全体的な三角的キラリティは電場に応じて一様にスイッチングされ、Kenzelmann ら（2007）の予想と整合的であった。