[論文レビュー] Magnetic field control of charge structures in the magnetically disordered phase of the multiferroic LuFe$_2$O$_4$

Jinsheng Wen, Guangyong Xu+2 more|ArXiv.org|Apr 9, 2009

Multiferroics and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、多铁性体LuFe2O4の磁気的無秩序相において、外部磁場が電荷秩序を直接制御することを示した。磁気的長距離秩序転移温度（T_N ≈ 240 K）よりも高い温度においても、電荷相関長が短縮され、局所的双極子モーメントが抑制される。この静的電荷秩序に対する磁場による直接的誘導変調が、室温で観測された巨大な室温磁気電気効果を説明するものであり、長距離磁気的秩序とは独立した新たな結合メカニズムを明らかにした。

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.

研究の動機と目的

• LuFe2O4の磁気的無秩序相における外部磁場が電荷秩序に与える影響を調査すること。
• 磁気的長距離秩序が発現する以前に、磁場が電荷構造に直接影響を与えるかどうかを特定し、従来の磁気電気結合メカニズムに挑戦すること。
• LuFe2O4で観測された巨大な室温磁気電気効果の起源を解明すること。
• 長距離磁気的秩序が存在しない状況において、局所的スピン揺らぎが磁気電気結合を媒介する役割を果たすかを検討すること。

提案手法

• 中性子回折は、NIST中性子研究センターのBT9三軸分光計を用いて実施された。
• 単結晶LuFe2O4を、磁場を[1̄10]方向に印加しながら、(HHL)逆格子平面に配置した。
• 電荷スーパーラティスピーク強度および線形形状を、[110]および[001]方向に沿って(2/3, 2/3, 3.5)で測定し、相関長を抽出した。
• 相関長は、機器の解像度を考慮したローレンツ関数フィットを用い、ξ = 1/Γの式で抽出した。
• 磁気的および電荷のブラaggピーク強度を、温度依存の秩序パラメータとして追跡した。
• T_N（240 K）より高い温度で測定を実施し、非磁性・電荷秩序相における効果を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離磁気的秩序が形成される以前に、外部磁場がLuFe2O4の電荷秩序に直接影響を与えることができるか？
• RQ2 磁気的秩序が存在しないにもかかわらず、LuFe2O4で観測された巨大な室温磁気電気効果の起源は何か？
• RQ3 LuFe2O4における磁気電気結合は、長距離磁気的秩序によって媒介されているのか、それとも局所的スピン揺らぎによって生じるのか？
• RQ4 磁場がパラ磁性相における電荷価数秩序の相関長および大きさにどのように影響を与えるか？
• RQ5 無秩序相における局所的スピンクラスタが磁場の下で、特定の電荷秩序配置を安定化または不安定化させることができるか？

主な発見

• T_Nより高い温度において、外部磁場がLuFe2O4の電荷スーパーラティスピークの強度を低下させ、電荷秩序の抑制を示した。
• [001]方向における電荷秩序の相関長は、磁場の増加に伴い短縮され、0 Tでは約12.5 Å、5 Tでは約8.5 Åに減少した。
• 長距離磁気的秩序が存在しない状態でも磁場による電荷秩序への影響が観測されたため、直接的な結合メカニズムが存在することが示された。
• 電荷秩序の強度低下は、室温で最大25%まで減少する巨大会心容量効果と相関していた。
• 結果から、磁気的無秩序相における局所的スピンクラスタが磁場に対して感受性を示し、電荷秩序の安定性を調整できることが示唆された。
• 本研究により、バルク磁気的秩序とは独立した新たな磁気電気結合経路が明らかになった。これは、多鉄性体における従来のモデルに挑戦するものである。