[논문 리뷰] Magnetic field control of charge structures in the magnetically disordered phase of the multiferroic LuFe$_2$O$_4$

Jinsheng Wen, Guangyong Xu외 2명|ArXiv.org|2009. 04. 09.

Multiferroics and related materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다중철물질 LuFe2O4의 자화가 없는 상에서 외부 자기장이 전하 순서를 직접 제어함을 보여주며, 이는 자기 전이 온도(T_N ≈ 240 K) 이상에서도 국소 전기 dipole 모멘트를 억제하고 전하 상관 길이를 감소시킴으로써 이루어진다. 이러한 정적 전하 순서에 대한 직접적인 자기장 유도 조절은 이 물질에서 관측된 거대한 실온에서의 전자기 효과를 설명하며, 장거리 자성 질서에 의존하지 않는 새로운 결합 메커니즘을 드러낸다.

ABSTRACT

Using neutron diffraction, we have studied the magnetic field effect on charge structures in the charge-ordered multiferroic material LuFe$_2$O$_4$. An external magnetic field is able to change the magnitude and correlation lengths of the charge valence order even before the magnetic order sets in. This affects the dielectric and ferroelectric properties of the material and induces a giant magneto-electric effect. Our results suggest that the magneto-electric coupling in LuFe$_2$O$_4$ is likely due to magnetic field effect on local spins, in clear contrast to the case in most other known multiferroic systems where the bulk magnetic order is important.

연구 동기 및 목표

• LuFe2O4의 자화가 없는 상에서 외부 자기장이 전하 순서에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 자기장이 장거리 자성 질서 형성 이전에 전하 구조에 직접 영향을 줄 수 있는지 확인하여 기존의 전자기 결합 메커니즘에 도전하는 것.
• LuFe2O4에서 실온에서 관측된 거대한 전자기 효과의 기원을 밝히는 것.
• 장거리 자성 질서가 없는 조건에서 局부 스핀 변동이 전자기 결합을 어떻게 매개하는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 중성자 회절은 NIST 중성자 연구센터의 BT9 삼축 분광계를 사용하여 수행되었다.
• LuFe2O4의 단일 결정은 자석장이 [1̄10] 방향으로 작용하도록 (HHL) 역공간 평면에 정렬되었다.
• 전하 초격자 피크 강도와 선형형태를 [110] 및 [001] 방향에 따라 (2/3, 2/3, 3.5)에서 측정하여 상관 길이를 추출하였다.
• 상관 길이는 기구 해상도를 고려한 로렌츠 함수 피팅을 통해 추출되었으며, ξ = 1/Γ 식을 사용하였다.
• 자기 및 전하 브라그 피크 강도를 온도에 따라 변화시키며 질서 매개변수로 추적하였다.
• 자기 전이 온도(T_N = 240 K) 이상에서 측정하여 자성 없는 전하 순서 상에서의 영향을 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 자성 질서 형성이 이뤄지기 이전에 외부 자기장이 LuFe2O4의 전하 순서에 직접적인 영향을 줄 수 있는가?
• RQ2 장거리 자성 질서가 없는 조건에서 LuFe2O4에서 관측된 거대한 실온 전자기 효과의 기원은 무엇인가?
• RQ3 LuFe2O4의 전자기 결합은 장거리 자성 질서에 의해 매개되는가, 아니면 局부 스핀 변동에 의해 발생하는가?
• RQ4 자기장은 파라자성 상에서 전하 화학적 순서의 상관 길이와 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 자기장 하에서 자화가 없는 상의 局부 스핀 클러스터는 특정 전하 순서 구조를 안정화하거나 불안정화할 수 있는가?

주요 결과

• T_N 이상에서 외부 자기장이 LuFe2O4의 전하 초격자 피크 강도를 감소시켜 전하 순서가 억제됨을 나타낸다.
• [001] 방향에서 전하 순서의 상관 길이는 자기장 증가에 따라 감소하며, 0 T에서 약 12.5 Å에서 5 T에서 약 8.5 Å로 감소한다.
• 장거리 자성 질서가 존재하지 않는 조건에서도 전하 순서에 대한 자기장 효과가 관측되어 직접적인 결합 메커니즘이 있음을 시사한다.
• 전하 순서 강도 감소는 관측된 거대한 전기용량 변화 효과와 상관관계가 있으며, 실온에서 유전율 반응이 최대 25% 감소한다.
• 결과는 자화가 없는 상에서의 局부 스핀 클러스터가 자기장에 민감하며 전하 순서 안정성 조절에 기여할 수 있음을 시사한다.
• 본 연구는 전반적인 자성 질서에 의존하지 않는 새로운 전자기 결합 경로를 드러내어 기존의 다중철물질 모델에 도전한다.