[论文解读] Field-induced spin-flip and spin-flop transitions in NdFeO3

M. M. Gomes, R. Vilarinho+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2026

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一句话总结

本研究展示了施加磁场的取向如何驱动 NdFeO3 中不同的磁相转变序列，揭示在广泛温度范围内由各向异性的 4f-3d 耦合介导的复杂自旋重排，包括 Nd 亚晶格有序的低温前驱效应。

ABSTRACT

Magnetic control of correlated spin systems is central to the development of next-generation spin-based technologies. Rare-earth orthoferrites provide an interesting platform in which exchange coupling between rare-earth 4f and transition-metal 3d moments generates competing magnetic interactions and multiple metastable states. Here, we show that the orientation of the applied magnetic field drives different magnetic phase transition sequences in NdFeO3 across a broad temperature range. Using Raman and polarized terahertz spectroscopies, supported by magnetization and specific-heat measurements, we track the temperature- and field-dependent evolution of the different magnetic phases and the successive spin rearrangements, driven by 4f - 3d magnetic anisotropic interactions. For fields applied along the crystallographic c-axis, a spin-reorientation transition is followed by spin-flop and spin-flip processes, producing an unexpectedly complex magnetic phase sequence at low temperatures. Below 8 K, precursor effects associated with ordering of the Nd-sublattice strongly modify the transition pathway. Our results demonstrate how anisotropic 4f-3d coupling enables magnetic-field control of coupled spin excitations and provide a route to accessing novel spin configurations in rare-earth orthoferrites.

研究动机与目标

• 研究磁场取向如何控制 NdFeO3 中的磁相转变。
• 阐明 4f–3d 异向相互作用在自旋重排中的作用。
• 利用多种光谱和热力学探测手段绘制温度-场依赖的磁相演化。

提出的方法

• 使用拉曼光谱在不同场向下跟踪自旋重排。
• 采用偏振太赫兹光谱探测自旋激发。
• 以磁化强度和比热测量补充光谱数据。
• 分析 Nd 与 Fe 亚晶格通过各向异性的 4f–3d 耦合驱动转变的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 场方向（沿晶轴）如何影响 NdFeO3 中磁相转变的序列？
• RQ2 自旋取向重新调整、自旋转 flop、以及自旋翻转过程在建立观测磁相中的作用？
• RQ3 低温 Nd 亚晶格有序如何修饰转变路径？
• RQ4 是否可以利用各向异性的 4f–3d 耦合来获得稀土正交铁氧体中的新型自旋构型？

主要发现

• 沿 c 轴的场取向得到的序列为：自旋重新取向，其次是自旋翻转、再自旋翻转。
• 在广范围温度内出现由 4f–3d 异向相互作用驱动的不同磁相序列。
• 低于 8 K 时，Nd 亚晶格有序引入前驱效应，显著改变转变途径。
• 结合光谱与热力学测量绘制了温度-场依赖的相演化。
• 结果彰显磁场对 NdFeO3 中耦合自旋激发的控制作用。