Магнитоэлектрические взаимодействия в Fe-лангаситах Текст научной статьи по специальности «Физика»

Магнитоэлектрические взаимодействия в Fe-лангаситах

12 1 Тихановский А.Ю. ' , Кузьменко А.М.

1 - ОСС, лаборатория диэлектрической спектроскопии магнитных материалов 2 - Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Email: tikhanovskii@phystech. edu Введение

Недавно был обнаружен интересный класс соединений, проявляющих магнитоэлектрические свойства - железосодержащие соединения со структурой лангасита, такие как Ba3NbFe3Si2O14, Ba3TaFe3Si2O14 и Sr3TaFe3Si2O14. Кристаллическая структура Fe лангаситов относится к пространственной группе Р321 и является нецентросимметричной. При температурах ниже точки Неля (Tn~27 K) они упорядочиваются антиферромагнитно в структуру с двойной киральностью (внутриплоскостное треугольное упорядочение спинов Fe3+, вращающихся вдоль оси с) [1]. Кристаллы допускают существование магнитоэлектрических эффектов, однако проведенные ранее исследования электрической поляризации оказались противоречивыми [2, 3], дальнейшие экспериментальные исследования магнитоэлектрических эффектов в соединениях разрешили возникшие противоречия [4]. В работе продемонстрировано численное моделирование экспериментально полученных магнитных и магнитоэлектрических эффектов в монокристалле Ba3NbFe3Si2O14 (BNFSO).

Энергия магнитных взаимодействий Описание магнитной структуры произведено методом молекулярного поля. Гамильтониан системы представляется в виде:

й = 1 S.JjS, + gvBH X Sj + X K (Sn J,

i ,j i i

где Ji?j - интегралы обменных взаимодействий i-ого и j-ого ионов Fe3+, Si - их спины, Н - внешнее магнитное поле, K - константа анизотропии, ni - единичные векторы легких осей одноионной анизотропии, расположенные в базисной плоскости под углами 120° для неэквивалентных позиций [5].

Результаты и обсуждение

Моделирование основного состояние магнитной системы показало, что спины в плоскости располагаются под углами 120° относительно друг друга, с дополнительным вращением от плоскости к плоскости с волновым вектором А»(0,0,1/7), кроме того, наличие одноионной анизотропии приводит к искажению спирали и возникновению дополнительных гармоник 2k и 3k, что находится в хорошем согласии с ранее проведенными исследованиями [5]. С учетом основного состояния системы смоделирована эволюция спиральной структуры во внешнем магнитном поле. Рассчитанная намагниченность при H || a хорошо согласуется с экспериментальной в полях до 5 Т, и показывает линейный рост, связанный с искажением плоскостной треугольной структуры в поле. При H || c намагниченность также возрастает линейно, что обусловлено скосом спиральной структуры перпендикулярно базисной плоскости. Обнаружен spin-flop переход в поле 14 Т при точной ориентации магнитного поля в базисной плоскости. Показано, что при наличии отклонений внешнего магнитного поля от базисной плоскости переход размывается и смещается в область низких полей «7 Т.

В рамках развитой модели магнитной структуры Fe-лангаситов и с учетом допускаемых симметрией пространственной группы Р321 инвариантов магнитоэлектрических взаимодействий, произведено моделирование полевых и ориентационных зависимостей электрической поляризации. Используя, по аналогии с редкоземельными ферроборатами [6], симметризованные параметры

порядка M=Mi+M2+M3, Bi=V3 (Mi-M2) и B2=M^M2-2M3, где Mi, M2 и M3 намагниченности подрешеток в позициях 1, 2 и 3, получена таблица их инвариантов, а также компонент поляризации P, преобразующихся по различным неприводимым представлениям пространственной группы Р321, которые позволили определить взаимосвязь актуальных компонент поляризации Px,y с магнитными параметрами порядка, согласующихся с экспериментом (рис. 1). Набор магнитоэлектрических инвариантов включает инварианты, связанные с векторами антиферромагнетизма Bi и B2, зависящими (неоднородные) и независящими (однородные) от приращения вдоль оси с, возникновение таких членов связано с наличием в системе обратного взаимодействия Дзялошинского-Мориа. Кроме того, набор инвариантов содержит квадратичные по намагниченности

магнитоэлектрические инварианты, появление которых есть результат вклада от дополнительного механизма магнитоэлектрического взаимодействия, и показывает присутствие комбинированного МЕ эффекта в Fe-лангаситах.

ю 8 6 4

"Е2 о ■3=0 CL -2

-4

-6

-а

-ю

012345678012345678012345678 Magnetic field (Т) Magnetic field (Т) Magnetic field (T)

Рис. 1. Полевые зависимости электрической поляризации вдоль кристаллографических осей a и b при различных ориентациях магнитного поля: a) Pa(Hb0c) b) Pb(Ha0c) c) Pa(Ha45b0c), где 0 - угол между вектором магнитного поля Н и плоскостью ab. Сплошные линии - экспериментальные результаты, точками - вычисленные

Благодарности

Авторы выражают благодарность научному руководителю Мухину А.А. за руководство научной деятельностью, формулировку идеи работы и активное обсуждение темы, также благодарность выражается Иванову В.Ю. за тщательную подготовку и проработку экспериментальных результатов

Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта № 16-12-10531.

1. Marty K. et al. Phys. Rev. Lett. 2008, 101, 247201; Phys. Rev. B. 2010, 81, 054416.

2. Zhou H.D. et al. Chem. Mater. 2009, 21, 156-159.

3. Narita H. et al., Phys. Rev. B. 2016, 94, 094433.

4. Ivanov V.Yu. et al. Book of Abstracts, MISM, 1-5 July 2017, p.909.

5. Chaix L. et al. Phys. Rev. B. 2016, 93, 214419.

6. Звездин А.К. и др. ПисьмаЖЭТФ. 2005, 81, 335.

Р I! а Н in (be) Р [| Ь, Н in (ас) Р||а, Н in (а45 ЬВс)

* * 5 1 у /+45! - 0 = -45?. 1' е = +15°/

» нЫю ^чЛ .,-0. ■ V- ((а) -У1 ■ у5- ■ У (ь) + 15^ - V*