[논문 리뷰] Experimental observation of ferrielectricity in multiferroic DyMn2O5: revisiting the electric polarization

Z. Y. Zhao, Ming-Chang Liu외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 09.

Multiferroics and related materials인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 피로전도 전류 및 PUND 기법을 사용하여 다중철성체 DyMn2O5의 전기적 분극을 재평가하여, Mn-Mn 및 Dy-Mn 스핀 상호작용에 의해 유도되는 두 개의 반대 방향으로 배열된 온도에 의존하는 철전하 하위격자로 인해 철전하성질이 아니라 철반전하성질을 나타낸다고 밝혀냈다. 이 결과는 자기전기 결합 메커니즘을 명확히 하고, RMn2O5 화합물에서 오랫동안 빚어진 다중철성 거동에 대한 논란을 해결한다.

ABSTRACT

The electric polarization and its magnetic origins in multiferroic RMn2O5, where R is rare-earth ion, are still issues under debate. In this work, the temperature-dependent electric polarization of DyMn2O5, the most attractive member of this RMn2O5 family, is investigated using the pyroelectric current method upon varying endpoint temperature of the electric cooling, plus the positive-up-negative-down (PUND) technique. It is revealed that DyMn2O5 at low temperature does exhibit the unusual ferrielectricity rather than ferroelectricity, characterized by two interactive and anti-parallel ferroelectric sublattices which show different temperature-dependences. The two ferroelectric sublattices are believed to be generated from the symmetric exchange-striction mechanisms associated with the Mn-Mn spin interactions and Dy-Mn spin interactions, respectively. The path-dependent electric polarization reflects the first-order magnetic transitions in the low temperature regime. The magnetoelectric effect is mainly attributed to the Dy spin order which is sensitive to magnetic field. The present experiments may be helpful for clarifying the puzzling issues on the multiferroicity in DyMn2O5 and probably other RMn2O5 multiferroics.

연구 동기 및 목표

• 다중철성체 DyMn2O5에서 전기 분극의 성질에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해.
• 특히 DyMn2O5에서 전기 분극의 자기적 기원을 조사하기 위해.
• 자기적 정렬과 스핀 상호작용이 자기전기 효과를 유도하는 데 미치는 역할을 명확히 하기 위해.
• 관측된 분극이 철전하성질인지 철반전하성질인지 확인하기 위해.
• 1차 자기전이와 관련된 분극의 경로에 따라 달라지는 행동을 이해하기 위해.

제안 방법

• 온도에 따라 변화하는 분극을 탐색하기 위해 다양한 전기 냉각 종료 조건에서 피로전도 전류 측정을 수행하였다.
• 양성-위-음성-아래(PUND) 기법을 사용하여 철전하성과 철반전하성 반응을 구분하였다.
• 저온 영역에서의 분극 거동을 맵핑하기 위해 다양한 온도 범위에서 측정을 수행하였다.
• 1차 전이를 나타내는 히스테리시스 및 경로 의존성 분극을 식별하기 위해 분석에 집중하였다.
• Dy 스핀 순서에 대한 민감도를 평가하기 위해 자기장에 따른 분극의 변화를 검토하였다.
• 이론적 해석은 Mn-Mn 및 Dy-Mn 스핀 상호작용에서 기인하는 대칭적 교환-압축 메커니즘과 분극을 연결하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DyMn2O5에서 전기 분극은 철전하성질인지 철반전하성질인지 본질적으로 어떤가?
• RQ2 DyMn2O5에서 전기 분극의 자기적 기원은 무엇인가?
• RQ3 Mn-Mn 및 Dy-Mn 스핀 상호작용은 어떻게 별개의 철전하 하위격자를 형성하는가?
• RQ4 냉각 사이클 동안 왜 분극이 경로 의존적인가?
• RQ5 Dy 스핀 순서는 자기전기 효과에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• DyMn2O5는 저온에서 철반전하성질을 나타내며, 두 개의 반대 방향으로 배열된 철전하 하위격자가 온도에 따라 다르게 변화한다.
• 이 두 하위격자는 Mn-Mn 및 Dy-Mn 스핀 상호작용과 연결된 대칭적 교환-압축 메커니즘에서 기인한다.
• 경로 의존성 분극 응답은 저온 상에서의 1차 자기전이와 직접적으로 관련되어 있다.
• 자기전기 효과는 주로 Dy 스핀 순서에 의해 주도되며, 외부 자기장에 매우 민감하다.
• 관측된 분극 거동은 이전에 DyMn2O5에서 다중철성 반응을 해석하는 데 있어 모순되었던 점들을 해결한다.
• 이 연구는 DyMn2O5가 전통적인 철전하성 물질이 아니라 경쟁적인 자기 기여를 가진 복잡한 철반전하성 시스템임을 실험적으로 입증한다.