[論文レビュー] Field-induced spin-flip and spin-flop transitions in NdFeO3

M. M. Gomes, R. Vilarinho+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2026

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ひとこと要約

本研究は、適用磁場の方向付けがNdFeO3の異なる磁性相転移連鎖を駆動することを示し、4f-3d結合の異方性を介した複雑なスピン再配置を広い温度範囲で明らかにし、Ndサブ格子秩序化による低温の前駆効果を含む。

ABSTRACT

Magnetic control of correlated spin systems is central to the development of next-generation spin-based technologies. Rare-earth orthoferrites provide an interesting platform in which exchange coupling between rare-earth 4f and transition-metal 3d moments generates competing magnetic interactions and multiple metastable states. Here, we show that the orientation of the applied magnetic field drives different magnetic phase transition sequences in NdFeO3 across a broad temperature range. Using Raman and polarized terahertz spectroscopies, supported by magnetization and specific-heat measurements, we track the temperature- and field-dependent evolution of the different magnetic phases and the successive spin rearrangements, driven by 4f - 3d magnetic anisotropic interactions. For fields applied along the crystallographic c-axis, a spin-reorientation transition is followed by spin-flop and spin-flip processes, producing an unexpectedly complex magnetic phase sequence at low temperatures. Below 8 K, precursor effects associated with ordering of the Nd-sublattice strongly modify the transition pathway. Our results demonstrate how anisotropic 4f-3d coupling enables magnetic-field control of coupled spin excitations and provide a route to accessing novel spin configurations in rare-earth orthoferrites.

研究の動機と目的

• NdFeO3における磁場方向性が磁性相転移をどのように支配するかを調べる。
• スピン再配置における4f–3d異方性相互作用の役割を解明する。
• 複数の分光および熱力学的プローブを用いて、温度・磁場依存の磁性相の進展をマッピングする。

提案手法

• 磁場方向を変化させたときのスピン再配置を追跡するためにラマン分光を用いる。
• スピン励起を探る偏光テラヘルツ分光を用いる。
• 分光データを磁化・比熱測定で補完する。
• 4f–3d結合の異方性を介してNdおよびFeサブ格子がどのように相互作用し、転移を駆動するかを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NdFeO3における場の方向（結晶軸に沿う方向）は磁性相転移の連鎖にどのような影響を与えるのか？
• RQ2 観察される磁性相を確立する上で、スピン再配列、スピンフロップ、スピンフリップ過程の役割は何か？
• RQ3 低温でのNdサブ格子秩序化は転移経路をどう修正するのか？
• RQ4 異方性4f–3d結合を利用して希土類直方位磁性酸化物で新規スピン配置にアクセスできるか？

主な発見

• c軸方向の場指向性は、スピン再配置、続いてスピンフロップ、そしてスピンフリップ転移という連鎖を生む。
• 4f–3d異方性相互作用によって駆動されるさまざまな磁性相系列が、広温度領域で現れる。
• 8 K以下でNdサブ格子秩序化は転移経路を強く修正する前駆効果を導入する。
• 分光測定と熱力学的測定を組み合わせて、温度・磁場依存の相の進展をマッピングする。
• NdFeO3における結合したスピン励起の磁場制御を示す。