[论文解读] Experimental observation of ferrielectricity in multiferroic DyMn2O5: revisiting the electric polarization

Z. Y. Zhao, Ming-Chang Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2013

Multiferroics and related materials被引用 25

一句话总结

本研究通过热释电电流和PUND技术重新评估了多铁性 DyMn2O5 中的电极化，发现其表现出亚铁电性而非铁电性，这是由于存在两个反平行、温度依赖的铁电亚晶格，其由 Mn-Mn 和 Dy-Mn 自旋相互作用驱动。研究结果阐明了磁电耦合机制，并解决了关于 RMn2O5 化合物中多铁性行为的长期争议。

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.

研究动机与目标

• 为解决多铁性 DyMn2O5 中电极化本质的长期争议。
• 研究 RMn2O5 化合物（特别是 DyMn2O5）中电极化的磁性起源。
• 阐明磁有序和自旋相互作用在驱动磁电效应中的作用。
• 确定所观测到的极化是铁电性还是亚铁电性。
• 理解极化在与一级磁性转变相关的冷却循环中表现出的路径依赖行为。

提出的方法

• 在不同电场冷却终点下进行热释电电流测量，以探测温度依赖的极化行为。
• 采用正向-上-负向-下（PUND）技术以区分铁电与亚铁电响应。
• 在一系列温度下进行测量，以绘制低温区域的极化行为图谱。
• 分析重点在于识别极化中的滞后和路径依赖性，这表明存在一级相变。
• 研究了极化在磁场下的依赖性，以评估其对 Dy 自旋有序的敏感性。
• 理论解释将极化与 Mn-Mn 和 Dy-Mn 自旋相互作用引起的对称交换压印机制联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 DyMn2O5 中的电极化是铁电性还是亚铁电性？
• RQ2 DyMn2O5 中电极化的磁性起源是什么？
• RQ3 Mn-Mn 和 Dy-Mn 自旋相互作用如何促成不同铁电亚晶格的形成？
• RQ4 为什么极化在冷却循环中表现出路径依赖性？
• RQ5 Dy 自旋有序在磁电效应中起什么作用？

主要发现

• 在低温下，DyMn2O5 表现出亚铁电性，其具有两个反平行的铁电亚晶格，且表现出不同的温度依赖性。
• 这两个亚晶格源于与 Mn-Mn 和 Dy-Mn 自旋相互作用相关的对称交换压印机制。
• 极化的路径依赖响应直接与低温相中的一级磁性转变相关。
• 磁电效应主要由 Dy 自旋有序驱动，且对外部磁场高度敏感。
• 所观测到的极化行为解决了以往对 DyMn2O5 中多铁响应解释中的不一致性。
• 本研究提供了实验证据，表明 DyMn2O5 并非传统铁电体，而是一个具有竞争磁性贡献的复杂亚铁电系统。