[논문 리뷰] Electric field control of the magnetic chiralities in ferroaxial multiferroic RbFe(MoO4)2

Alexander J. Hearmon, F. Fabrizi외 6명|Durham Research Online (Durham University)|2012. 02. 10.

Multiferroics and related materials인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 중성자 구면 편광 측정을 통해 페로아크시얼 다중철성체 RbFe(MoO4)2에서 전기장에 의한 자성 휠림과 삼각형 편광성의 동시에 제어를 입증한다. 구조적 축성으로 매개되는 휠림과 삼각형 편광성 간의 결합은 외부 전기장으로 양축 도메인에서 둘 다 동시에 스위칭 가능하게 하며, 페로아크시얼 변형에 뿌리를 둔 상대론적 전자기효과 메커니즘을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 페로아크시얼 다중철성체 RbFe(MoO4)2에서 구조적 축성이 전자기결합을 가능하게 하는 역할를 조사하기 위해.
• 이 시스템에서 자성 휠림과 삼각형 편광성이 어떻게 페로전자기 극성과 연결되는지 규명하기 위해.
• 두 구조적 도메인에서 동시에 둘 다의 편광성을 전기장으로 제어하는 것을 실험적으로 입증하기 위해.
• 전자기효과의 미세구조 기원을 명확히 하여, 휠림과 축성 변형의 기여를 구분하기 위해.

제안 방법

• 복합 자성 산란 진폭을 측정하고 자성 모멘트의 허수 성분을 추출하여 휠림을 직접 탐지하기 위해 중성자 구면 편광 측정을 사용하였다.
• 비대칭 편광 성분(P_yx, P_zx)의 분석을 통해 서로 다른 휠림과 삼각형 편광성 조합을 가진 자성 도메인의 분포를 고유하게 결정하였다.
• 전기장 냉각 실험을 다양한 전기장 강도와 극성에서 수행하여, 양축 도메인에서 편광성의 스위칭 거동을 탐구하였다.
• LSDA+U (U = 4.5 eV, J_H = 1.0 eV)를 기반으로 한 첫 번째 원리 밴드 구조 계산을 통해 교환 상호작용 J1 = 1.0 K 및 J2 = 0.3 K를 추정하였다.
• 삼중선형 결합 σ_h A P_z 및 σ_t P_z를 포함하는 현상학적 자유 에너지 모델을 사용하여 전자기효과를 기술하였다. 여기서 A는 축벡터를 나타낸다.
• 이론적 모델링을 통해 전기장에 의한 (++, ++) 및 (−,−) 상태 간의 에너지 분리가 7.5 kV/cm에서 스핀당 4×10⁻⁴ K가 되도록 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구조적 축성이 RbFe(MoO4)2에서 자성 휠림과 삼각형 편광성 간의 결합을 어떻게 매개하는가?
• RQ2 외부 전기장이 페로아크시얼 다중철성체에서 동시에 자성 휠림과 삼각형 편광성을 제어할 수 있는가?
• RQ3 이 시스템에서 휠림과 축성 변형이 전자기효과에 기여하는 상대적 기여도는 얼마인가?
• RQ4 두 개의 구별되는 축 도메인에서 전기장 냉각 조건 하에서 자성 편광 도메인의 분포는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 7.5 kV/cm의 전기장을 가할 경우, (++, ++) 및 (−,−) 자성 상태 간에 스핀당 4×10⁻⁴ K의 에너지 분리가 발생함을 확인하여, 직접적인 전기장에 의한 편광성 제어를 입증하였다.
• +7.5 kV/cm에서의 전기장 냉각은 오직 (++, +) 및 (+, −) 도메인을 생성하는 반면, −7.5 kV/cm 냉각은 (−, −) 및 (−, +) 도메인을 생성함을 확인하여, 양축 도메인에서 둘 다의 편광성이 동시에 스위칭됨을 입증하였다.
• 전기장에 대한 P_zx의 측정에서 관측된 히스테리시스는 편광성의 가역적 스위칭을 확인하였으며, 서로 다른 축 도메인에서 기인한 피크의 스위칭 전기장가 명확히 구분되었다.
• 이론적 모델링은 휠림과 축성 변형 간의 결합(페로아크시얼 결합)이 자성 휠림을 안정화시키고 관측된 전자기효과를 가능하게 한다는 점을 확인하였다.
• 삼각형 편광성과 축성 변형을 통한 휠림 결합에 기여하는 두 가지 편광성 결합 항 모두 상대론적 기원을 가지나, 서로 다른 미세구조 메커니즘에서 기인한다.
• 두 개의 축 도메인이 존재하더라도 전체 샘플의 삼각형 편광성이 전기장에 따라 균일하게 스위칭되며, Kenzelmann 등(2007)의 추측과 일치한다.