[論文レビュー] Magnetoelectricity in Multiferroics: a Theoretical Perspective

Shuai Dong, Hongjun Xiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2019

Multiferroics and related materials参考文献 114被引用数 3

ひとこと要約

本理論的レビューでは、マルチフェロイック材料における磁電結合の基本的メカニズムを検討し、単相マルチフェロイックと磁電異性積層構造に焦点を当てている。主なメカニズムとしてスピン駆動型分極と交換歪みを特定し、顕在する磁電効果の理解における最近の進展を議論し、今後の材料設計のための包括的フレームワークを提供する。

ABSTRACT

The key physical property of multiferroic materials is the existence of a coupling between magnetism and polarization, i.e. magnetoelectricity. The origin and manifestations of magnetoelectricity can be very different in the available plethora of multiferroic systems, with multiple possible mechanisms hidden behind the phenomena. In this Review, we describe the fundamental physics that causes magnetoelectricity from a theoretical viewpoint. The present review will focus on the main stream physical mechanisms in both single phase multiferroics and magnetoelectric heterostructures. The most recent tendencies addressing possible new magnetoelectric mechanisms will also be briefly outlined.

研究の動機と目的

• マルチフェロイック材料における磁電結合の理論的起源を体系的に分析すること。
• 単相マルチフェロイックと異性積層構造における磁電効果の背後にある支配的物理メカニズムを区別し、説明すること。
• 最近の理論的進展を要約し、マルチフェロイック系における新たなメカニズムを同定すること。
• 新しいマルチフェロイック材料の発見と設計を導く包括的理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 磁電結合メカニズムを同定するため、第一原理計算と対称性の考察に基づく理論的分析。
• 群論とスピン-格子結合モデルを用いて、可能な磁電応答を分類すること。
• ジアロシシュキン＝モリスキー相互作用と逆ジアロシシュキン＝モリスキー効果を介したスピン駆動型強誘電性の検討。
• 交換歪みと軌道秩序が磁性格子における分極の源として機能することの調査。
• 有効ハミルトニアンモデルを用いた異性積層構造における界面磁電効果の分析。
• 従来のメカニズムを超える新しい磁電効果メカニズムに関する最近の理論的提案のレビュー。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチフェロイック材料における磁電結合の主な微視的メカニズムは何か？
• RQ2 スピン-格子相互作用とスピン-軌道相互作用は、磁性系における顕在的電気分極にどのように寄与するか？
• RQ3 対称性制約と結晶構造は、磁電効果を可能にする上で果たす役割は何か？
• RQ4 異性積層構造における界面効果は、磁電結合をどのように強化または変更するか？
• RQ5 最近のマルチフェロイック研究において、どのような新しい理論的メカニズムが浮上しているか？

主な発見

• ジアロシシュキン＝モリスキー相互作用を介したスピン駆動型強誘電性は、特にヘキサゴナルマンガン酸化物において支配的メカニズムである。
• 交換歪みと軌道秩序は、遷移金属酸化物において特に顕著な分極を誘発する可能性がある。
• 理論的モデルは、異性積層構造における界面磁電結合が、界面スピン-軌道結合と反転対称性の破れによって強化され得ることを確認している。
• 対称性解析により、線形磁電効果を許容するのは特定の磁性点群に限られ、材料実現の可能性を制限することが明らかになった。
• 最近の理論的研究では、非同一スピンテクスチャーやキラルスピン液体が、非従来型の磁電応答を有する可能性があると示唆されている。
• 本レビューでは、特に競合相互作用を有する複雑な酸化物において、大規模な磁電応答を予測・設計することの持続的課題が同定された。