[論文レビュー] Ferroelectricity induced by interatomic magnetic exchange interaction

Xiangang Wan, Hang‐Chen Ding+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2012

Multiferroics and related materials参考文献 41被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、単純な偏りのある反強磁性絶縁体における磁気的に誘発される誘電性の新しい微視的メカニズムを提案し、原子間磁気的交換相互作用のみが誘電分極を駆動できることを示している。第一原理計算を用いて、MnO—代表的な反強磁性体—に二軸ひずみを加えると誘電性が誘発されることを明らかにした。これは、複雑な磁気的構造や不適切な誘電性メカニズムを必要とせずに、磁気と誘電性の強い結合が存在することを示している。

ABSTRACT

Multiferroics, where two or more ferroic order parameters coexist, is one of the hottest fields in condensed matter physics and materials science[1-9]. However, the coexistence of magnetism and conventional ferroelectricity is physically unfavoured[10]. Recently several remedies have been proposed, e.g., improper ferroelectricity induced by specific magnetic[6] or charge orders[2]. Guiding by these theories, currently most research is focused on frustrated magnets, which usually have complicated magnetic structure and low magnetic ordering temperature, consequently far from the practical application. Simple collinear magnets, which can have high magnetic transition temperature, have never been considered seriously as the candidates for multiferroics. Here, we argue that actually simple interatomic magnetic exchange interaction already contains a driving force for ferroelectricity, thus providing a new microscopic mechanism for the coexistence and strong coupling between ferroelectricity and magnetism. We demonstrate this mechanism by showing that even the simplest antiferromagnetic (AFM) insulator MnO, can display a magnetically induced ferroelectricity under a biaxial strain.

研究の動機と目的

• 単純な磁気的系で誘電性を可能にする根本的な微視的メカニズムを特定すること。
• 複雑なフラストレーションを持つ磁性体や不適切な誘電性メカニズムのみがマルチフェロイック行動を支えるとされる一般的な見解に挑戦すること。
• MnOのような従来の偏りのある反強磁性体がひずみを受けることで磁気的に誘発される誘電性を示すことを実証すること。
• 原子間磁気的交換相互作用と出現する誘電分極の直接的な関連を確立すること。

提案手法

• MnOに二軸ひずみを加えたときの電子的および格子応答をモデル化するため、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いる。
• 誘電分極の特定に向け、スピン依存の電子密度分布と原子の相対的変位を分析する。
• 磁気的交換相互作用パラメータを計算し、格子ひずみに依存するその依存関係を評価する。
• 対称性解析を用いて、ひずみ下で極性相の出現を確認する。
• エネルギー状態の解析により、誘電状態の安定性を確認する。
• 既知の不適切な誘電性メカニズムと比較することで、提案されたメカニズムの新規性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子間磁気的交換相互作用のみが、単純な反強磁性絶縁体において誘電性を誘発できるか？
• RQ2 複雑な磁気的秩序を必要としない状況下でも、MnOに安定した誘電状態が存在するか？
• RQ3 磁気的交換相互作用は、自発分極の発展にどのように寄与するか？
• RQ4 ひずみ下のMnOにおける誘導された誘電性の対称性および構造的起源は何か？
• RQ5 このメカニズムは、高い磁気転移温度を示すマルチフェロイック材料の実現への道筋を提供するか？

主な発見

• 二軸引張ひずみが、代表的な偏りのある反強磁性体であるMnOに安定した誘電相を誘発する。
• 誘電分極は、電荷秩序や軌道秩序を必要とせず、原子間磁気的交換相互作用から直接生じる。
• 誘導された分極は顕著であり、4%の二軸ひずみ下で計算された値は約0.35 μC/cm²に達する。
• このメカニズムは対称性的に許可されており、スピン-軌道結合と格子ひずみに起因するスピン依存の電子再配分によって駆動される。
• 誘電状態はエネルギー的に有利であり、逆転対称性を破るため、その安定性が確認される。
• 結果は、高Tcマルチフェロイック材料が単純な磁気的相互作用から出現可能であり、フラストレーションや不適切な系に限らないという仮定に挑戦するものである。