Магнитоэлектрическое взаимодействие, по какому сценарию предпочитает играть природа?

-->

Манганиты – соединения с сильными электронными корреляциями, с которыми связаны корреляции электрических, магнитных и структурных свойств. Они являются неиссякаемым источником новых эффектов и полигоном для проверки идей в теории твердого тела.

К колоссальному магнитосопротивлению и магнитокалорическому эффекту в новом столетии добавились еще эффекты управления электрической поляризацией с помощью магнитного поля, послужившие одной из причин очередного бума в физике твердого тела – магнитоэлектрического [1]. В этом году манганиты как новоявленные мультиферроики (т.е. среды с магнитным и электрическим упорядочением, см. ПерсТ т.13, вып.10) стали ареной борьбы между сторонниками двух различных механизмов происхождения магнитоэлектрического взаимодействия: релятивистского [2,3] и нерелятивистского [4,5].

Два механизма магнитоэлектрических взаимодействий происходят от двух типов обменного взаимодействия: симметричного гейзенберговского обмена, описываемого скалярным произведением спинов взаимодействующих ионов (S1*S2) и антисимметричного обмена Дзялошинского-Мории, описываемого векторным произведением [S1xS2], связанного со спин-орбитальным взаимодействием, и имеющего релятивистскую природу.

Mekhanizmy_obrazovanija_poljarizatsii.jpgРис. 1 Механизмы образования электрической поляризации (полярные смещения атомов обозначены красными стрелками) по релятивистскому (а, б) и нерелятивистскому (в, г) механизмам. Конфигурации а), в) связаны операцией инверсии, соответственно, с конфигурациями б), г) [6]

Антисимметричное взаимодействие возникает в структурах с пространственной модуляцией спина (спиновые спирали, рис. 1а, б), в которых направление магнитного момента ионов меняется от точки к точке с периодом, не кратным периоду кристаллической решетки и, как правило, намного превосходящим его (так называемые несоразмерные структуры). Если выбрать определенное направление модуляции (волновой вектор q), то можно ввести ось вращения намагниченности Ω. При этом q, Ω и вектор электрической поляризации P образуют тройку взаимно перпендикулярных векторов, P ~[W´q**] (рис.2) [7].

Trojka_vektorov.jpgРис. 2 Тройка взаимно перпендикулярных векторов [7]: ось вращения W, направление модуляции q и вектор поляризации P

Релятивистский механизм оказался очень удобным инструментом для объяснения наблюдаемых эффектов в манганитах типа RMnO3 (R – редкая земля) и предсказания новых магнитоэлектрических явлений.

Получили свое объяснение и эффекты поворота электрической поляризации на 90 градусов под действием магнитного поля и эффект переключения направления вращения спиновой спирали под действием электрического поля. Действительно, магнитное поле в вертикальном направлении (рис.2) вызывает переориентацию вектора Ω вдоль поля (спин-флоп), что приводит, в полном соответствии с правилом векторного произведения (рис.2), к повороту вектора поляризации P на 90 градусов (при условии, что вектор q остается неизменным). С другой стороны, с помощью электрического поля можно переключать поляризацию P на 180 градусов, и тем самым изменять направление вращения спина Ω на противоположное (рис. 1а, б), что и наблюдалось экспериментально [8].

Подкупающая простота объяснения дотоле загадочных эффектов привела к тому, что к началу 2008 года во всех магнитоэлектрических веществах стремились увидеть спиральные мультиферроики, а релятивистский сценарий стал едва ли не магнитоэлектрической парадигмой, универсальным механизмом. Естественным образом и другой класс мультиферроиков, орторомбические манганиты RMn2O5, приписали к спиральным мультиферроикам, тем более что в них действительно наблюдались неколлинеарное упорядочение и модулированные структуры.

Однако более тщательные нейтронографические исследования спинового упорядочения в RMn2O5 привели к выводу о том, что переключение направления вращения спина Ω никак не сказывается на знаке электрической поляризации [4], а возникает поляризация как раз в той магнитной фазе, когда магнитная структура соразмерна, и магнитные моменты почти коллинеарны [5]. Так нерелятивистский сценарий стал этим летом отвоевывать позиции и даже перешел в контрнаступление: его сторонники указывают на слабые места релятивистского механизма – его малую величину и недостаточную обоснованность квантовомеханического объяснения на микроскопическом уровне [9].

Теория магнитоэлектрических взаимодействий – бурно развивающееся направление, драматическую историю становления которого мы имеем возможность наблюдать. По какому сценарию разыгрываются магнитоэлектрические явления в действительности, покажет время. Скорее всего, как это часто бывает, истина окажется где-то посередине.

А. Пятаков

  • 1. M.Fiebig, J. Phys. D: Appl. Phys. 38, R123–R152 (2005)
  • 2. J.Okamoto et al, Phys. Rev. Lett. 98, 157202 (2007)
  • 3. J.-H.Kim et al, cond-mat/0803.1123 (2008)
  • 4. P.G.Radaelli et al, Phys. Rev. Lett. 101, 067205 (2008)
  • 5. P.G.Radaelli et al, ArXiv 0808.2237 (Aug 2008)
  • 6. T.Kimura, JPSJ Online-News and Comments [Nov. 10, 2006]
  • 7. S.-W.Cheong, M.Mostovoy, Nature Mater. 6, 13 (2007)
  • 8. Е.В Милов и др., Письма в ЖЭТФ 85, 610 (2007)
  • 9. A.S.Moskvin, Phys. Rev. B 78, 024102 (2008)

Опубликовано в NanoWeek,


Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 3.5 (4 votes)
Источник(и):

ПерсТ: Магнитоэлектрическое взаимодействие, по какому сценарию предпочитает играть природа?