В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ продолжаются исследования механизмов формирования физических свойств мультиферроиков – материалов, в которых можно управлять магнитным порядком приложением электрического поля и наоборот – индуцировать электрическую поляризацию магнитным полем. Именно это обстоятельство открывает потенциальную возможность использования мультиферроиков в практических приложениях.
Выполненные в Лаборатории физики кристаллов Отдела исследования конденсированного состояния Отделения нейтронных исследований эксперименты дают богатый экспериментальный материал для понимания механизмов формирования физических свойств новых мультиферроиков. Исследования ведутся широким фронтом – используются методы упругого и неупругого рассеяния нейтронов (НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ) в сочетании с терагерцовой (А.А. Мухин, Институт Общей физики им. Прохорова РАН) и оптической спектроскопией (М.Н. Попова, Институт Спектроскопии РАН), а также с магнитные и магнитоэлектрические измерения.
В частности, одними из новых объектов являются – сложные соединения с составом ReFe3(BO3)4, где Re – ион редкоземельного металла. Интерес к этим материалам обусловлен сильной зависимостью электрической поляризации от приложенного магнитного поля, что очень важно для практического применения. В ферроборатах-мультиферроиках магнитный порядок в редкоземельной решетке индуцируется подрешеткой железа, порядок в которой, в свою очередь, определяется взаимодействием с редкоземельной подсистемой.
В соединениях с разными редкоземельными ионами реализуется либо магнитная структура типа "легкая плоскость" с моментами в плоскостях, перпендикулярных гексагональной оси, в частности, в NdFe3(BO3)4, либо структура "легкая ось", с моментами вдоль оси, как в TbFe3(BO3)4. Поэтому в смешанной системе Nd(Tb)Fe3(BO3)4 следует ожидать сложных неколлинеарных магнитных структур.
Действительно, с помощью упругого рассеяния на монокристаллах была обнаружена слабая неколлинеарность магнитной структуры, т.е. не параллельность магнитных моментов, которая обусловлена слабым взаимодействием Дзялошинского-Мория. Этот феномен может быть назван "слабым антиферромагнетизмом" по аналогии с хорошо известным "слабым ферромагнетизмом". Более того, из экспериментальных данных удалось сделать количественную оценку величины взаимодействия Дзялошинского-Мория по отношению к основному обменному взаимодействию.
Эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов на замещенных ферроборатах Nd(Tb)Fe3(BO3)4 и в крайних, реперных составах NdFe3(BO3)4 и TbFe3(BO3)4 показали сложную динамику магнитных возбуждений при эволюции магнитной структуры от состояния "легкая плоскость" к состоянию "легкая ось". Оказалось, что адекватное описание спин-волновых спектров возможно только при учете большого числа обменных взаимодействий, до 12 координационных сфер. Из магнонных спектров в рамках линейной теории определены величины обменных взаимодействий и параметры анизотропии. Оказалось, что величина обменного взаимодействия остается весьма заметной даже на очень больших расстояниях, до ~ 7 Å, что очень необычно.
Если в ферроборатах Nd(Tb)Fe3(BO3)4 переход от структуры "легкая плоскость" к структуре "легкая ось" связан с изинговским ионом Tb, который стабилизирует легкоосное состояние, то в ферроборате HoFe3(BO3)4 переход от структуры "легкая ось" к структуре "легкая плоскость" при изменении температуры или магнитного поля связан с переориентацией магнитных моментов. Проведенный симметрийный анализ показывал, что магнитная структура в состоянии "легкая плоскость" должна описываться двумерным представлением, что приводит к большому числу варьируемых параметров. Поэтому однозначно определить направление магнитных моментов при небольшом числе дифракционных рефлексов (~ 200) из нейтронографии не удается. Проблема была решена привлечением оптической спектроскопии высокого разрешения. Предложенная модель была подтверждена измерениями на поляризованных нейтронах и прекрасно согласуется с измеренными температурными зависимостями интенсивностей характерных рефлексов.
Этот цикл работ был опубликован в ведущих физических журналах и недавно доложен на Конференции по использованию рассеяния нейтронов в исследовании конденсированных сред (РНИКС-2021), которая состоялась в Екатеринбурге в конце сентября.