[论文解读] Simultaneous Occurrence of Multiferroism and the Short-Range Magnetic Order in DyFeO3

Jinchen Wang, Juanjuan Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2016

Multiferroics and related materials被引用 6

一句话总结

本研究揭示，DyFeO3 中强烈的磁电效应源于 Fe3+ 离子的弱铁磁性与 Dy3+ 离子的短程反铁磁序同时共存，该结论通过沿 c 轴施加磁场下的中子衍射和磁化率测量得到证实。Dy 离子的短程序在磁场作用下出现，并与多铁性相一致，被确定为材料大磁滞和增强磁电耦合的关键因素。

ABSTRACT

We report a combined neutron scattering and magnetization study on the multiferroic DyFeO3 which shows a very strong magnetoelectric effect. Applying magnetic field along the c-axis, the weak ferromagnetic order of the Fe ions is quickly recovered from a spin reorientation transition, and the long-range antiferromagnetic order of Dy becomes a short-range one. We found that the short-range order concurs with the multiferroic phase and is responsible for its sizable hysteresis. Our H-T phase diagram suggests that the strong magnetoelectric effect in DyFeO3 has to be understood with not only the weak ferromagnetism of Fe but also the short-range antiferromagnetic order of Dy.

研究动机与目标

• 为解决 DyFeO3 中异常强烈的磁电效应的起源问题，尽管其具有高潜力，但该现象仍理解不足。
• 研究沿 c 轴施加磁场时 DyFeO3 的磁相演化，特别关注 Dy3+ 和 Fe3+ 子晶格的行为。
• 确定 Dy3+ 离子的短程磁序是否在维持多铁性相及其相关磁滞中起关键作用。
• 建立 DyFeO3 的完整 H–T 相图，以捕捉长程与短程磁序之间的相互作用以及多铁性状态。

提出的方法

• 使用布雷格研究所的 Taipan 三轴谱仪和橡树岭国家实验室 SNS 的 CORELLI 时间飞行谱仪进行单晶中子衍射。
• 采用量子设计 VSM 进行体磁化率测量，磁场沿 c 轴方向，以探测磁相变。
• 通过考虑 G 型 Fe3+ 与 G/A 型 Dy3+ 磁序之间相位关系的模型分析磁散射强度，引入复杂散射函数和相对相位偏移。
• 使用先前研究中的磁形因素和磁矩大小（例如，mFe = 2.8 μB，mDy,x = 4.5 μB，mDy,y = 8.0 μB）作为强度精修的归一化参考。
• 应用散射函数 |F⊥|² = |Fx^G,Dy|² + |Fy^A,Dy + Fy^G,Fe|² − |q̂xFx^G,Dy + q̂y(Fy^A,Dy + Fy^G,Fe)|²，以考虑 Fe 与 Dy 磁性组分之间的矢量干涉。
• 通过将观测强度与理论模型比较，区分磁孪晶结构域和相位构型，优选图 7(a) 所示的构型，其中 (3,2,0) 和 (2,1,0) 峰增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 沿 c 轴施加磁场如何影响 DyFeO3 中 Dy3+ 离子的长程反铁磁序？
• RQ2 Dy3+ 子晶格中的短程磁序在稳定多铁性相和实现强磁电耦合中起什么作用？
• RQ3 Fe3+ 离子弱铁磁性的恢复是否足以解释大磁滞和强磁电效应，还是需要额外贡献？
• RQ4 G 型 Fe3+ 与 G/A 型 Dy3+ 磁序之间的相对相位关系如何影响观测到的中子衍射强度？
• RQ5 在沿 c 轴施加磁场时，DyFeO3 的完整 H–T 相图是什么？该相图如何与观测到的多铁性和磁序共存相协调？

主要发现

• 沿 c 轴施加磁场会抑制 Dy3+ 离子的长程反铁磁序，并诱导其形成短程反铁磁序。
• Dy3+ 离子的短程序与多铁性相精确共存，该结论通过中子衍射和磁化率数据得到证实。
• 仅在 Dy3+ 离子的场诱导短程序相中观察到具有强磁电耦合的多铁性态。
• Fe3+ 子晶格在 10 K 和 60 K 下均表现出 2.8 μB 的弱铁磁矩，与 G_y 磁结构一致，并通过中子衍射得到证实。
• 包含相对相位偏移的磁结构模型中，优选图 7(a) 所示构型，该模型对 (3,2,0) 和 (2,1,0) 布拉格峰的拟合效果最佳。
• H–T 相图表明，DyFeO3 中强烈的磁电效应并非仅由 Fe3+ 的弱铁磁性引起，而是关键依赖于与 Dy3+ 短程反铁磁序的相互作用。