[논문 리뷰] Field-induced spin-flip and spin-flop transitions in NdFeO3

M. M. Gomes, R. Vilarinho외 15명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 24.

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한 줄 요약

본 연구는 적용된 자기장의 방향이 NdFeO3에서 서로 다른 자성 상 전이 시퀀스를 유도하는 방식을 보여주고, 방향성 4f-3d 결합에 의해 매개되는 복잡한 스핀 재구성을 광범위한 온도 범위에서 드러내며, Nd 서브격자 순차화로 인한 저온 예비 효과를 포함한다.

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.

연구 동기 및 목표

• NdFeO3에서 자장 방향이 자성 상 전이를 어떻게 제어하는지 조사한다.
• 스핀 재배열에서 4f–3d 방향성 상호작용의 역할을 규명한다.
• 다양한 분광 및 열역학 탐침을 사용하여 온도- 및 자장 의존 자성 상의 진화를 여러 분광 및 열역학 탐침을 사용해 맵핑한다.

제안 방법

• 다양한 자장 방향에서 스핀 재배열을 추적하기 위해 라만 분광학을 사용한다.
• 편광된 테라헤르츠 분광학을 이용해 스핀 들뜸을 탐지한다.
• 광스펙트roscopic 데이터를 자화 및 특발열 측정으로 보완한다.
• Nd 및 Fe 부분격자 간의 방향성 4f–3d 결합을 통해 전이를 유도하는 상호작용을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 필드 방향(결정학적 축을 따라) 이 NdFeO3의 자성 상 전이 시퀀스에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 관찰된 자성 상을 확립하는 데 있어 스핀 재배치, 스핀 플롭, 스핀 플립 과정의 역할은 무엇인가?
• RQ3 저온에서 Nd-서브격자 순서화가 전이 경로를 어떻게 수정하는가?
• RQ4 희토류 옥토페라이트에서 비등방성 4f–3d 결합을 활용해 새로운 스핀 구성에 접근할 수 있는가?

주요 결과

• c축 방향의 자장 방향은 스핀 재배치에 이은 스핀 플롭, 그리고 그 다음 스핀 플립 전이라는 시퀀스를 생성한다.
• 광범위한 온도 범위에서 4f–3d 방향성 상호작용에 의해 다른 자성 상 시퀀스가 나타난다.
• 8 K 이하에서 Nd-서브격자 순서화는 예비 효과를 도입해 전이 경로를 강하게 수정한다.
• 광스펙트로스케픽 및 열역학 측정을 결합해 온도- 및 자장 의존적 상의 진화를 도표화한다.
• 결과는 NdFeO3에서 자장에 의한 결합 스핀 여동의 제어를 보여준다.