[论文解读] Electric field control of the magnetic chiralities in ferroaxial multiferroic RbFe(MoO4)2

Alexander J. Hearmon, F. Fabrizi+6 more|Durham Research Online (Durham University)|Feb 10, 2012

Multiferroics and related materials被引用 3

一句话总结

本研究通过中子球极化谱仪，首次实现了对铁轴多铁体RbFe(MoO₄)₂中磁性手性和三角手性的电场调控。由结构轴性介导的手性与三角手性之间的耦合，使得外加电场能够同时切换两种手性，且在两种轴性结构域中均实现，揭示了一种源于铁轴畸变的相对论性磁电机制。

ABSTRACT

The coupling of magnetic chiralities to the ferroelectric polarisation in multiferroic RbFe(MoO$_4$)$_2$ is investigated by neutron spherical polarimetry. Because of the axiality of the crystal structure below $T_ extrm{c}$ = 190 K, helicity and triangular chirality are symmetric-exchange coupled, explaining the onset of the ferroelectricity in this proper-screw magnetic structure - a mechanism that can be generalised to other systems with "ferroaxial" distortions in the crystal structure. With an applied electric field we demonstrate control of the chiralities in both structural domains simultaneously.

研究动机与目标

• 研究结构轴性在铁轴多铁体RbFe(MoO₄)₂中实现磁电耦合的作用机制。
• 确定磁性手性和三角手性如何与铁电极化耦合。
• 实验验证外加电场可同时调控两种手性，且在两种结构域中均实现。
• 阐明磁电效应的微观起源，区分手性和轴向畸变的贡献。

提出的方法

• 采用中子球极化谱仪测量复数磁散射振幅，并提取磁矩的虚部分量，以直接探测手性。
• 通过分析非对角极化分量（P_yx, P_zx），唯一确定了具有不同手性组合的磁结构域的占据情况。
• 在不同电场强度和极性下进行电场冷却实验，以研究两种轴性结构域中手性的切换行为。
• 采用LSDA+U（U = 4.5 eV, J_H = 1.0 eV）的第一性原理能带结构计算，估算自旋交换作用J1 = 1.0 K和J2 = 0.3 K。
• 构建包含三线性耦合项σ_h A P_z和σ_t P_z的唯象自由能模型，以描述磁电效应，其中A代表轴矢量。
• 理论建模将(++, ++)与(−,−)态之间的能级分裂与电场关联，计算得每自旋在7.5 kV/cm电场下分裂为4×10⁻⁴ K。

实验结果

研究问题

• RQ1 结构轴性如何在RbFe(MoO₄)₂中介导磁性手性与三角手性之间的耦合？
• RQ2 外加电场能否在铁轴多铁体中同时调控磁性手性和三角手性？
• RQ3 在该体系中，手性和轴向畸变对磁电效应的相对贡献如何？
• RQ4 在两种不同的轴性结构域中，电场冷却下手性磁结构域的占据情况如何演化？

主要发现

• 在7.5 kV/cm电场下，(++, ++)与(−,−)磁态之间每自旋产生4×10⁻⁴ K的能级分裂，证实了电场对两种手性的直接调控。
• 在+7.5 kV/cm电场下冷却，仅占据(++, +)和(+, −)结构域；在−7.5 kV/cm下冷却，仅占据(−, −)和(−, +)结构域，证明了在两种轴性结构域中均实现了两种手性的切换。
• P_zx随电场变化的测量显示磁滞行为，证实手性的可逆切换，且不同轴性结构域的磁滞峰具有不同的切换场。
• 理论建模证实，手性与轴向畸变之间的耦合（即铁轴耦合）对稳定磁性手性和实现观测到的磁电效应至关重要。
• 两种手性耦合项（分别对应三角手性和通过轴向畸变耦合的手性）虽均源于相对论效应，但来自不同的微观机制。
• 尽管存在两种轴性结构域，整个样品的总体三角手性仍随电场均匀切换，与Kenzelmann等人（2007年）的猜想一致。