[논문 리뷰] Origin of Electric Field Induced Magnetization in Multiferroic HoMnO3

B. G. Ueland, J. W. Lynn외 3명|arXiv (Cornell University)|2009. 09. 01.

Multiferroics and related materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다중철산 HoMnO3에서 전기장에 의해 유도되는 자화의 기원이 반자성 도메인 벽 내의 보상되지 않은 자화에서 기인함을 규명한다. 펄스된 소각도중성자산산산란을 통해 저자들은 전기장이 도메인 벽의 구조를 변화시켜 이 자화를 억제함으로써, 부피 자성 질서를 변화시키지 않는다는 것을 입증한다. 이는 도메인 벽이 자전기 결합에 기여한다는 직접적인 증거를 제공한다.

ABSTRACT

We have performed polarized and unpolarized small angle neutron scattering experiments on single crystals of HoMnO3 and have found that an increase in magnetic scattering at low momentum transfers begins upon cooling through temperatures close to the spin reorientation transition at TSR ~ 40 K. We attribute the increase to an uncompensated magnetization arising within antiferromagnetic domain walls. Polarized neutron scattering experiments performed while applying an electric field show that the field suppresses magnetic scattering below T ~ 50 K, indicating that the electric field affects the magnetization via the antiferromagnetic domain walls rather than through a change to the bulk magnetic order.

연구 동기 및 목표

• 다중철산 HoMnO3에서 전기장에 의해 유도되는 자화의 미시적 기원을 규명하는 것.
• 전기장이 부피 자성 질서를 변화시키는지 아니면 도메인 벽 자화를 변화시키는지를 확인하는 것.
• 반자성 도메인 벽이 자전기 결합에 미치는 역할을 조사하는 것.
• 적용된 전기장 하에서 자기 산산산란이 억제되는 메커니즘을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 단일 결정 HoMnO3에서 펄스된 및 비편극된 소각도중성자산산산란(SANS)을 실시함.
• 온도 함수로 자기 산산산란 강도를 측정하여 약 40 K에서 발생하는 스핀 재정렬 전이 근처의 변화를 탐지함.
• 전기장 적용 하에서 SANS 실험을 수행하여 전기장에 의한 자기 산산산란 변화를 탐구함.
• 산산산란의 운동량 이행 의존성을 분석하여 도메인 벽 기여를 분리함.
• 온도 의존 측정을 통해 자기 산산산란과 스핀 재정렬 전이를 연관시킴.
• 전이 이전 및 이후의 산산산란 행동을 비교하여 부피 질서와 도메인 벽 효과를 구별함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HoMnO3에서 전기장에 의해 유도되는 자화의 미시적 기원은 무엇인가?
• RQ2 전기장이 부피 반자성 질서를 변화시키는가 아니면 주로 반자성 도메인 벽에 영향을 미치는가?
• RQ3 HoMnO3에서 자기 산산산란 강도는 온도와 적용된 전기장에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 50 K 이하에서 관측된 자화 증가 현상은 도메인 벽 형성과 관련이 있는가 아니면 부피 스핀 재정렬과 관련이 있는가?
• RQ5 중성자 산산산란은 도메인 벽 자화의 전기장 유도 변화를 감지할 수 있는가?

주요 결과

• 약 40 K에서 스핀 재정렬 전이를 통과할 때 저운동량 이행에서 자기 산산산란이 증가함을 관측하여 보상되지 않은 자화의 형성을 시사함.
• 관측된 자화가 부피 자성 질서가 아니라 반자성 도메인 벽에서 기인함을 규명함.
• 50 K 이하에서 전기장 적용으로 인해 자기 산산산란이 억제됨을 통해 도메인 벽 자화를 직접 제어할 수 있음을 입증함.
• 부피 반자성 질서에 영향을 주지 않음에도 불구하고 억제가 발생함으로써, 도메인 벽이 자전기 결합의 주요 위치임을 확인함.
• 편극 중성자 산산산란 결과는 전기장이 도메인 벽의 자기 구조를 변화시키며 장거리 자성 질서에는 영향을 주지 않음을 확인함.
• 결과적으로 도메인 벽 자화가 HoMnO3에서 전기장에 의해 유도되는 자화의 주요 기여원임을 규명함.