[论文解读] Magnetic field control of charge structures in the magnetically disordered phase of the multiferroic LuFe$_2$O$_4$

Jinsheng Wen, Guangyong Xu+2 more|ArXiv.org|Apr 9, 2009

Multiferroics and related materials被引用 4

一句话总结

本研究证明，在多铁体LuFe2O4的磁性无序相中，外加磁场可直接调控电荷序，即使在磁性有序温度（T_N ≈ 240 K）以上，也能减小电荷关联长度并抑制局域偶极矩。这种对静态电荷序的直接场致调制，解释了该材料中观测到的巨大室温磁电效应，揭示了一种不依赖长程磁序的新奇耦合机制。

ABSTRACT

Using neutron diffraction, we have studied the magnetic field effect on charge structures in the charge-ordered multiferroic material LuFe$_2$O$_4$. An external magnetic field is able to change the magnitude and correlation lengths of the charge valence order even before the magnetic order sets in. This affects the dielectric and ferroelectric properties of the material and induces a giant magneto-electric effect. Our results suggest that the magneto-electric coupling in LuFe$_2$O$_4$ is likely due to magnetic field effect on local spins, in clear contrast to the case in most other known multiferroic systems where the bulk magnetic order is important.

研究动机与目标

• 研究外加磁场对LuFe2O4磁性无序相中电荷序的影响。
• 确定磁场是否能在磁序形成之前直接影响电荷结构，从而挑战传统的磁电耦合机制。
• 解释在LuFe2O4中观测到的巨大室温磁电效应的起源。
• 探讨局域自旋涨落在无长程磁序条件下介导磁电耦合的作用。

提出的方法

• 使用NIST中子研究中心的BT9三轴谱仪进行中子衍射实验。
• 将LuFe2O4的单晶样品在(HHL)倒易空间平面中取向，磁场沿[1̄10]方向施加。
• 沿[110]和[001]方向测量(2/3, 2/3, 3.5)处电荷超晶格峰的强度和线型，以提取关联长度。
• 通过洛伦兹函数拟合并卷积仪器分辨率，利用ξ = 1/Γ提取关联长度。
• 追踪磁性和电荷布拉格峰强度作为温度的函数，将其作为序参量。
• 在T_N（240 K）以上进行测量，以隔离非磁性、电荷有序相中的效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在长程磁序形成之前，外加磁场是否能直接影响LuFe2O4中的电荷序？
• RQ2 在无磁序条件下，LuFe2O4中巨大室温磁电效应的起源是什么？
• RQ3 LuFe2O4中的磁电耦合是否由长程磁序介导，还是源于局域自旋涨落？
• RQ4 磁场如何影响顺磁相中电荷价态序的关联长度和幅值？
• RQ5 在无序相中，局域自旋团簇在磁场作用下能否稳定或 destabilize 特定的电荷序构型？

主要发现

• 在T_N以上，外加磁场减小了LuFe2O4中电荷超晶格峰的强度，表明电荷序被抑制。
• 沿[001]方向，电荷序的关联长度随磁场增加而减小，从0 T时的~12.5 Å降至5 T时的~8.5 Å。
• 磁场对电荷序的影响在无长程磁序条件下被观测到，表明存在直接耦合机制。
• 电荷序幅值的减小与观测到的巨大磁电容效应相关，室温下介电响应最大降低25%。
• 结果表明，磁性无序相中的局域自旋团簇对外磁场敏感，可调节电荷序的稳定性。
• 本工作揭示了一条不依赖体相磁序的新奇磁电耦合路径，挑战了多铁体中传统模型。