[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出了一种简单共线反铁磁绝缘体中磁致铁电性的新微观机制，证明了原子间磁交换相互作用本身即可驱动铁电极化。通过第一性原理计算，表明双轴应变可在MnO（一种典型的反铁磁体）中诱导出铁电性，揭示了磁性与铁电性之间强烈的耦合，而无需依赖复杂的磁结构或非正常铁电性机制。

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.

研究动机与目标

• 识别一种基本的微观机制，以实现简单磁性系统中的铁电性。
• 挑战既有的观点，即只有复杂自旋冰磁体或非正常铁电性机制才能支持多铁性行为。
• 证明像MnO这样的传统共线反铁磁体在应变作用下可表现出磁致铁电性。
• 建立原子间磁交换相互作用与涌现铁电极化之间的直接联系。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，模拟MnO在双轴应变下的电子结构与晶格响应。
• 分析自旋依赖的电荷分布与原子位移，以识别铁电极化。
• 计算磁交换相互作用参数及其对晶格畸变的依赖关系。
• 通过群论分析确认应变下极性相的出现。
• 评估能量景观以确认铁电态的稳定性。
• 将结果与已知的非正常铁电性机制进行比较，突出所提出机制的新颖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子间磁交换相互作用是否足以在简单反铁磁绝缘体中诱导铁电性？
• RQ2 在双轴应变作用下，MnO是否能存在稳定的铁电态，即使不存在复杂的磁序？
• RQ3 磁交换相互作用如何促进自发极化的形成？
• RQ4 在应变作用下，MnO中诱导出的铁电性的对称性与结构起源是什么？
• RQ5 该机制是否为实现高居里温度多铁性材料提供了可行路径？

主要发现

• 双轴拉伸应变在MnO中诱导出稳定的铁电相，MnO是一种典型的共线反铁磁体。
• 铁电极化直接源于原子间磁交换相互作用，无需电荷或轨道有序。
• 诱导出的极化强度显著，计算值在4%双轴应变下约为0.35 μC/cm²。
• 该机制在对称性上是允许的，由自旋-轨道耦合与晶格畸变引起的自旋依赖电荷重分布所驱动。
• 铁电态在能量上占优，且破坏了反演对称性，证实其稳定性。
• 结果表明，高Tc多铁性材料可源于简单的磁相互作用，挑战了仅自旋冰或非正常系统才能支持多铁性的假设。