[논문 리뷰] Spontaneous Rotation of Ferrimagnetism Driven by Antiferromagnetic Spin Canting

Anuradha M. Vibhakar, D. D. Khalyavin외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 39인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 삼중 A-서열 기둥형 정렬 다중퍼보브스카이트 Y2CuMnMn4O12 및 Dy2CuMnMn4O12에서 스핀 재정렬의 새로운 메커니즘을 규명한다. 이 전이들은 희토류 자성에 의해 유도되는 것이 아니라, 반강자성 스핀 기울기 불안정성과 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용 및 단일 이온 비등방성의 상호작용에 의해 유도된다. 주요 결과는 스핀 재정렬 전이 두 개(자기모멘트 방향 m||b → m||c)가 T2 = 115 K 및 125 K에서 발생하며, 전이 금속 이온 당 약 1µB의 큰 순 자화를 가지므로 초고속 스핀트로닉스 응용이 가능하다.

ABSTRACT

Spin-reorientation phase transitions that involve the rotation of a crystal's magnetization have been well characterized in distorted-perovskite oxides such as orthoferrites. In these systems spin reorientation occurs due to competing rare-earth and transition metal anisotropies coupled via f-d exchange. Here, we demonstrate an alternative paradigm for spin reorientation in distorted perovskites. We show that the R_{2}CuMnMn_{4}O_{12} (R=Y or Dy) triple A-site columnar-ordered quadruple perovskites have three ordered magnetic phases and up to two spin-reorientation phase transitions. Unlike the spin-reorientation phenomena in other distorted perovskites, these transitions are independent of rare-earth magnetism, but are instead driven by an instability towards antiferromagnetic spin canting likely originating in frustrated Heisenberg exchange interactions, and the competition between Dzyaloshinskii-Moriya and single-ion anisotropies.

연구 동기 및 목표

• 기존의 f−d 교환 결합에 기반하지 않는 비정상적인 퍼보브스카이트에서 스핀 재정렬(SR) 전이의 미세한 기원을 규명하는 것.
• 삼중 A-서열 기둥형 정렬 다중퍼보브스카이트에서의 스핀 재정렬이 희토류 자성에 의해 유도되는지 여부를 조사하는 것.
• Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용, 단일 이온 비등방성, 그리고 스핀 기울기 불안정성이 스핀 재정렬 전이를 유도하는 데 미치는 역할을 규명하는 것.
• 큰 순 자성 모멘트와 빠른 스위칭 동역학 덕분에 이러한 물질이 초고속 스핀트로닉스 장치에 적합한 잠재력을 지니고 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 6 GPa 및 약 1670 K에서 고압 고체상 반응을 통해 다결정 Y2CuMnMn4O12 및 Dy2CuMnMn4O12를 합성하는 것.
• 2–400 K 범위에서 자장을 제거한 상태와 자장을 가진 상태에서의 DC 자화 측정(SQUID)을 통해 자성 전이를 탐색하는 것.
• WISH(ISIS)에서의 시간간섭형 중성자 분말 회절을 통해 5 K 간격(전이점 T1 및 T3 근처는 2 K 간격)으로 데이터를 수집하여 자성 구조를 규명하는 것.
• A 및 B 서열에 대해 대칭에 적합한 자성 모드(Fi, Ai, Xi, Yi)를 사용하여 중성자 회절 데이터의 리에브델르 피팅을 수행하는 것.
• 이전 문헌에서 얻은 Pmmn 구조(공간군)를 기반으로 비자기 상에서의 결정 구조를 정밀화하는 것.
• 1.5 K, 40 K 및 140 K에서의 자성 구조 분석을 통해 스핀 기울기의 변화와 자화 방향의 변화를 추적하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전이 금속 서열에서 희토류 자성이 없는 상황에서 Y2CuMnMn4O12 및 Dy2CuMnMn4O12에서 스핀 재정렬은 무엇에 의해 유도되는가?
• RQ2 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용과 단일 이온 비등방성이 관측된 스핀 기울기와 재정렬에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 왜 자화가 T2 = 115 K 및 125 K에서 m||b에서 m||c로 회전하는가? 그리고 이 일직선 상이 안정화되는 원리는 무엇인가?
• RQ4 YCMO에서는 T3 = 17 K에서 추가적인 전이가 발생하는 이유는 무엇이며, DCMO에서는 그와 같은 전이가 나타나지 않는 이유는 무엇인가? Dy3+의 이sov형 비등방성은 진동수 상태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 이 물질에서 스핀 재정렬이 희토류 자성과 분리되어 스핀 기울기 불안정성에 의해 유도될 수 있는가?

주요 결과

• Y2CuMnMn4O12 및 Dy2CuMnMn4O12는 세 가지의 구분 가능한 자성 상을 나타내며, 각각 T2 = 115 K 및 125 K에서 스핀 재정렬 전이 두 개가 관측된다.
• m||b에서 m||c로의 스핀 재정렬은 희토류 이온과의 f−d 교환 결합이 아닌, 반강자성 스핀 기울기 불안정성에 의해 유도된다.
• 이 전이는 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(자기모멘트 m||b를 선호)과 단일 이온 비등방성(자기모멘트 m||c를 선호) 간의 경쟁에 의해 매개되며, 일직선 상에서는 후자가 지배한다.
• YCMO에서는 T3 = 17 K에서 추가 전이가 발생하여 기울인 상태(m||b)가 복귀하지만, DCMO에서는 Dy3+의 이sov형 비등방성이 기저 상태를 m||c로 锁정하여 재정렬을 방지한다.
• 이 물질들은 전이 금속 이온 당 약 1µB의 큰 순 자화를 지니며, 오르토페르리트의 ≤0.1 µB보다 크게 상당히 높다.
• 이 메커니즘은 기존의 오르토페르리트에서의 스핀 재정렬과 근본적으로 다름을 보이며, 기둥형 정렬 퍼보브스카이트에서 스핀 기울기 불안정성에 기반한 새로운 패러다임을 확립한다.