[論文レビュー] Field induced linear magneto-elastic coupling in multiferroic TbMnO3

N. Aliouane, D. N. Argyriou+4 more|DESY Publication Database (PUBDB) (Deutsches Elektronen-Synchrotron)|Aug 26, 2005

Multiferroics and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、多フェロイック材料TbMnO3に磁場を印加することで、伝播ベクトル κ=(0,1/4,0) の整数比相への一次転移が誘発され、二次的磁気弾性結合が破壊され、線形磁気弾性および磁気電気応答が確立されることを示している。この転移は、Mn-O-Mn結合角の場誘起秩序化によって駆動され、電気分極がc軸からa軸へ180°フロップする。これは、a軸またはb軸に沿った磁場下で、この材料に特有に観察される現象である。

ABSTRACT

We have used in-field neutron and X-ray single crystal diffraction to measure the incommensurability δ of the crystal and magnetic structure of multiferroic TbMnO3 . We show that the flop in the electric polarization at the critical field HC, for field H along the a− and b−axis coincides with a 1st order transition to a commensurate phase with propagation vector κ = (0, 1/4, 0). In-field X-ray diffraction measurements show that the quadratic magneto-elastic coupling breaks down with applied field as shown by the observation of the 1st harmonic lattice reflections above and below HC . This indicates that magnetic field induces a linear magneto-elastic coupling. We argue that the commensurate phase can be described by an ordering of Mn-O-Mn bond angles.

研究の動機と目的

• 多フェロ酸性TbMnO3における場誘起分極フロップの起源を理解すること。
• 磁場が材料内の磁気弾性結合に与える影響を特定すること。
• 分極方向の変化を引き起こす構造的および磁気的転移を調査すること。
• 高場相が線形磁気弾性結合を示すかどうかを確立すること。低場非整数比相における二次的結合とは対照的である。

提案手法

• 2Kでa軸およびb軸に沿って最大14Tの磁場を印加した状態で、磁場内中性子回折を用いてMnおよびTbスピンの磁気秩序状態および非整数比度δを測定した。
• 9.5keVおよび100.5keVの同期放射X線回折を用いて格子振動を測定し、高調波反射を検出することで構造的転移を特定した。
• TbMnO3の単結晶を光学浮遊ゾーン法で成長させ、磁化および比熱測定を用いてその特性を評価した。
• BENSC、HMIの冷却三軸分光計（FLEX）および2軸回折計（E4）を用いて、bc面内での測定を実施し、最大14.5Tの磁場を印加した。
• 非整数比度δの場依存性および一次高調波格子反射の強度に注目し、二次的結合の破壊を検出する分析を実施した。
• 高場における磁気秩序状態に基づき構造モデルを構築し、Mn-O-Mn結合角の秩序化がa軸に沿ったフェロエレクトリック歪みを駆動すると提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 印加磁場下におけるTbMnO3の磁気弾性結合の性質は何か？
• RQ2 a軸またはb軸に沿った磁場の印加が、磁気的および格子的構造の非整数比度δに与える影響は何か？
• RQ3 臨界磁場H_Cにおける180°分極フロップの原因は何か？
• RQ4 高場相は線形磁気弾性結合を示すか？ もし示すならば、低場非整数比相における二次的結合とはどのように異なるか？
• RQ5 Mn-O-Mn結合角の秩序化は、整数比相の安定化および新しい分極方向の安定化とどのように関係しているか？

主な発見

• H_C ≈ 4.5T（H‖b）およびH_C ≈ 9T（H‖a）における分極フロップは、伝播ベクトルκ = (0, 1/4, 0) の整数比相への一次転移と一致する。
• 磁場内X線回折により、二次的磁気弾性結合の破壊が明らかになった。一次高調波格子反射がH_Cを超えて出現したことで、線形磁気弾性結合の出現が示された。
• 高場相は線形磁気電気応答を示し、H‖bにおける分極の磁場に対する線形依存性が実験的に確認された。これは、低場相における二次的依存性と対照的である。
• この転移は、Mn-O-Mn結合角の場誘起秩序化に起因し、a軸に沿ったフェロエレクトリック歪みの安定化に寄与する。
• H‖bの場合は、Tbスピンのメタ磁気的転移と関連しているが、H‖aの場合はH_C未満でTbスピンが整数比的に秩序化する。これは、磁場方向依存のスピン結合を示している。
• 構造モデルは、反強磁性的に結合したMnO6オクテイドのハサミ状歪みが、a軸に沿ったネットフェロエレクトリック分極を生じると示唆しており、実験的分極測定と整合的である。