[論文レビュー] Experimental observation of ferrielectricity in multiferroic DyMn2O5: revisiting the electric polarization

Z. Y. Zhao, Ming-Chang Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2013

Multiferroics and related materials被引用数 25

ひとこと要約

本研究は、ピロエレクトリック電流およびPUND技術を用いて多フェロ体 DyMn2O5 における電気分極を再評価し、Mn-MnおよびDy-Mnスピン相互作用によって駆動される二つの反平行で温度依存性のあるフェロエレクトリック亜格子があるため、分極が反フェロエレクトリシティを示すことが判明した。この発見により、磁電効果のメカニズムが明確になり、RMn2O5化合物における多フェロ性の長年の論争が解決された。

ABSTRACT

The electric polarization and its magnetic origins in multiferroic RMn2O5, where R is rare-earth ion, are still issues under debate. In this work, the temperature-dependent electric polarization of DyMn2O5, the most attractive member of this RMn2O5 family, is investigated using the pyroelectric current method upon varying endpoint temperature of the electric cooling, plus the positive-up-negative-down (PUND) technique. It is revealed that DyMn2O5 at low temperature does exhibit the unusual ferrielectricity rather than ferroelectricity, characterized by two interactive and anti-parallel ferroelectric sublattices which show different temperature-dependences. The two ferroelectric sublattices are believed to be generated from the symmetric exchange-striction mechanisms associated with the Mn-Mn spin interactions and Dy-Mn spin interactions, respectively. The path-dependent electric polarization reflects the first-order magnetic transitions in the low temperature regime. The magnetoelectric effect is mainly attributed to the Dy spin order which is sensitive to magnetic field. The present experiments may be helpful for clarifying the puzzling issues on the multiferroicity in DyMn2O5 and probably other RMn2O5 multiferroics.

研究の動機と目的

• 多フェロ体 DyMn2O5 における電気分極の性質に関する長年の論争を解決すること。
• 特に DyMn2O5 における電気分極の磁気的起源を調査すること。
• 磁気的秩序およびスピン相互作用が磁電効果を駆動する役割を明確にすること。
• 観察された分極が、フェロエレクトリックか反フェロエレクトリックかの性質を特定すること。
• 一次相転移に関連する分極の経路依存性の挙動を理解すること。

提案手法

• 温度依存性分極を調べるために、変化する電界冷却終点を用いたピロエレクトリック電流測定を実施した。
• フェロエレクトリックと反フェロエレクトリック応答を区別するために、ポジティブ・アップ・ネガティブ・ダウン（PUND）手法を用いた。
• 低温領域における分極挙動をマップするために、広い温度範囲で測定を実施した。
• 一次相転移を示すヒステリシスおよび経路依存性の分極を特定することに分析を集中した。
• 外部磁場に対する分極の依存性を検討し、Dyスピン秩序への感受性を評価した。
• 理論的解釈では、分極をMn-MnおよびDy-Mnスピン相互作用に起因する対称的交差歪み機構に関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DyMn2O5 における電気分極は、フェロエレクトリックか反フェロエレクトリックの性質を示すか？
• RQ2 DyMn2O5 における電気分極の磁気的起源は何か？
• RQ3 Mn-MnおよびDy-Mnスピン相互作用は、異なるフェロエレクトリック亜格子の形成にどのように寄与するか？
• RQ4 冷却サイクル中に分極が経路依存性を示す理由は何か？
• RQ5 Dyスピン秩序は磁電効果において果たす役割は何か？

主な発見

• DyMn2O5 は低温で反フェロエレクトリシティを示し、二つの反平行なフェロエレクトリック亜格子が存在し、それぞれが異なる温度依存性を示す。
• 二つの亜格子は、Mn-MnおよびDy-Mnスピン相互作用に起因する対称的交差歪み機構から生じる。
• 経路依存性の分極応答は、低温相における一次磁気的転移と直接的に関連している。
• 磁電効果は主にDyスピン秩序によって駆動されており、外部磁場に対して非常に感受性が強い。
• 観察された分極挙動により、DyMn2O5における多フェロ性反応の解釈に関する以前の矛盾が解消された。
• 本研究は、DyMn2O5 が従来のフェロエレクトリックではなく、競合する磁気的寄与を持つ複雑な反フェロエレクトリック系であるという実験的証拠を提供した。