Группа ученых Лаборатории физики кристаллов Отделения нейтронных исследований НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ совместно с представителями Аахенского университета (Германия) провели масштабный цикл нейтронных исследований по изучению магнитных свойств редкоземельных манганатов RMn2O5 (R – редкоземельный элемент). Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review.
Семейство манганатов RMn2O5 является ярким представителем мультиферроиков II типа; эти соединения демонстрируют наиболее впечатляющие примеры связи между магнитными и электрическими свойствами. Для объяснения магнитоэлектрических свойств этого семейства были выдвинуты несколько теоретических моделей микроскопических взаимодействий, среди которых наибольшей популярностью пользовалась модель обменной стрикции, в рамках которой возникновение электрической поляризации пропорционально скалярному произведению соседних спинов: Pe~[Si·Sj]. Практически не рассматривалась модель, основанная на антисимметричном обменном взаимодействии Дзялошинского-Мория (ДМ), в рамках которой электрическая поляризация пропорциональна векторному произведению соседних спинов Pe ~[Si×Sj].
Сотрудниками Лаборатории физики кристаллов (И.А. Зобкало, С.В. Гаврилов, А.Н. Матвеева) была поставлена задача в ходе исследований RMn2O5 уточнить микроскопические механизмы, ответственные за корреляции магнитных, электрических, структурных свойств в мультиферроиках RMn2O5. Для этого был выполнен цикл экспериментов на нейтронных установках НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ (ДПН) и MLZ (Германия). В качестве экспериментальных методов исследования были использованы различные методы дифракции поляризованных нейтронов: «полуполяризованный» эксперимент, XYZ-поляризационный анализ, сферическая нейтронная поляриметрия (SNP). Выбор рассеяния поляризованных нейтронов для решения такой задачи не случаен. С одной стороны, предполагаемый механизм индуцирования электрической поляризации обязан своим происхождением киральным явлениям, с другой стороны, ни одна экспериментальная методика не является настолько подходящей для исследования киральных явлений, как рассеяние поляризованных нейтронов, также являющихся киральными объектами.
Это позволило получить уникальные результаты, напрямую свидетельствующие о наличии антисимметричных взаимодействий ДМ в исследуемых соединениях, ранее лишь изредка предполагавшихся. Результаты экспериментов по TbMn2O5(по-видимому, это самый популярный мультиферроик из серии RMn2O5), выполненных различными методами рассеяния поляризованных нейтронов на различных установках, хорошо согласуются друг с другом и позволяют сделать заключение о том, что антисимметричное взаимодействие ДМ отчетливо проявляется во всех магнитных фазах этого соединения и его эффект нельзя считать пренебрежимо малым.
В ходе экспериментов с NdMn2O5 была исследована трансформация киральной магнитной структуры в некиральную. Показано, что что киральное нейтронное рассеяние появляется только в том же диапазоне, что и сегнетоэлектрическая поляризация. Это позволяет сделать предположение о том, что взаимодействие ДМ не только существует в RMn2O5, но также является необходимой предпосылкой появления сегнетоэлектрической поляризации в этих соединениях, усиленной затем обменно-стрикционным механизмом.
Вообще, физика мультиферроиков – соединений, где сосуществуют несколько типов упорядочения – вызывает огромный интерес у исследователей. Чаще всего при упоминании мультиферроиков имеется в виду сосуществование магнитного и сегнетоэлектрического порядков. Особое внимание привлекают материалы, в которых эти виды упорядочения не только сосуществуют, но и взаимодействуют между собой – т.н. «несобственные» мультиферроики или мультиферроики II типа. Многочисленные исследования показывают, что в таких соединениях электрическая поляризация возникает вследствие магнитного упорядочения. Помимо эффектов, связанных с каждым типом упорядочения в отдельности, в мультиферроиках II типа проявляются новые явления, связанные с взаимодействием электрической и магнитной подсистем. Эта связь приводит к различным магнитоэлектрическим эффектам, вызывающим высокий научный интерес с точки зрения изучения фундаментальных явлений при взаимодействии разных параметров порядка. С другой стороны, подобные явления имеют высокий потенциал практического использования в различных областях спинтроники, таких как энергосберегающие технологии, беспроводная передача энергии, запоминающие устройства. Определение микроскопических механизмов взаимодействия магнитной и электрической подсистем в мультиферроиках II типа обеспечит перспективы создания функциональных материалов на их основе, и, в то же время, является одной из актуальных задач физики конденсированного состояния.