[논문 리뷰] Ferroelectricity induced by interatomic magnetic exchange interaction

Xiangang Wan, Hang‐Chen Ding외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 15.

Multiferroics and related materials참고 문헌 41인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 단순한 정렬된 반자성 절연체에서 자기적으로 유도된 반도체성의 새로운 미시적 메커니즘을 제안하며, 원자 간 자기 스핀 교환 상호작용만으로도 반도체성 극성이 유도될 수 있음을 입증한다. 밀도함수이론(DFT) 기반의 처음부터 계산한 방법을 통해 이는 이방성 압축이 MnO—대표적인 반자성체—에서 반도체성을 유도함을 보여주며, 복잡한 자기 구조나 비정상적인 반도체성 메커니즘 없이도 자기성과 반도체성 사이에 강한 결합이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

Multiferroics, where two or more ferroic order parameters coexist, is one of the hottest fields in condensed matter physics and materials science[1-9]. However, the coexistence of magnetism and conventional ferroelectricity is physically unfavoured[10]. Recently several remedies have been proposed, e.g., improper ferroelectricity induced by specific magnetic[6] or charge orders[2]. Guiding by these theories, currently most research is focused on frustrated magnets, which usually have complicated magnetic structure and low magnetic ordering temperature, consequently far from the practical application. Simple collinear magnets, which can have high magnetic transition temperature, have never been considered seriously as the candidates for multiferroics. Here, we argue that actually simple interatomic magnetic exchange interaction already contains a driving force for ferroelectricity, thus providing a new microscopic mechanism for the coexistence and strong coupling between ferroelectricity and magnetism. We demonstrate this mechanism by showing that even the simplest antiferromagnetic (AFM) insulator MnO, can display a magnetically induced ferroelectricity under a biaxial strain.

연구 동기 및 목표

• 간단한 자기 시스템에서 반도체성을 가능하게 하는 기본적인 미시적 메커니즘을 규명하는 것.
• 단지 복잡한 도전성 자성체나 비정상적인 반도체성 메커니즘만이 다기능성 행동을 지탱할 수 있다는 기존의 견해를 도전하는 것.
• MnO와 같은 전통적인 정렬된 반자성체가 응력 하에서 자기적으로 유도된 반도체성을 나타낼 수 있음을 보여주는 것.
• 원자 간 자기 스핀 교환 상호작용과 나타나는 반도체성 극성 사이의 직접적인 연결 고리를 설정하는 것.

제안 방법

• 이방성 응력 하에서 MnO의 전자적 및 격자 반응을 모델링하기 위해 처음부터 계산한 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하는 것.
• 반도체성 극성을 규명하기 위해 스핀 의존 전하 분포와 원자 이동을 분석하는 것.
• 자기 스핀 교환 상호작용 계수를 계산하고 격자 변형에 따른 의존성을 분석하는 것.
• 대칭성 분석을 통해 응력 하에서 극성 상이 나타나는지 확인하는 것.
• 에너지 경로를 평가하여 반도체성 상태의 안정성을 확인하는 것.
• 기존의 비정상적인 반도체성 메커니즘과 결과를 비교하여 제안된 메커니즘의 독창성을 부각하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자 간 자기 스핀 교환 상호작용만으로도 단순한 반자성 절연체에서 반도체성이 유도될 수 있는가?
• RQ2 복잡한 자기 순서 없이도 이방성 응력이 가해진 MnO에서 안정된 반도체성 상태가 존재하는가?
• RQ3 자기 스핀 교환 상호작용은 자발적 극성의 발달에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 응력 하에서 MnO에서 유도된 반도체성의 대칭성과 구조적 기원은 무엇인가?
• RQ5 이 메커니즘은 고자기 전이 온도를 가진 다기능성 물질을 위한 길을 열어줄 수 있는가?

주요 결과

• 이방성 인장 응력은 MnO—대표적인 정렬된 반자성체—에서 안정된 반도체성 상을 유도한다.
• 반도체성 극성은 전하 또는 궤도 순서가 필요 없이 원자 간 자기 스핀 교환 상호작용에서 직접 유래된다.
• 유도된 극성은 상당히 크며, 4% 이방성 응력 하에서 약 0.35 μC/cm²의 계산값을 보인다.
• 이 메커니즘은 대칭성에 의해 허용되며 스핀-오비탈 결합과 격자 변형으로 인한 스핀 의존 전하 재분포에 의해 구동된다.
• 반도체성 상태는 에너적으로 유리하며 반전 대칭성을 깨므로 안정성이 확인된다.
• 결과적으로 고Tc 다기능성 물질이 단순한 자기 상호작용에서 유도될 수 있음을 보여주며, 도전성 또는 비정상적인 시스템만이 다기능성 성질을 지탱할 수 있다는 가정을 도전한다.