Связь электромагнитных свойств с объемными изменениями в мультиферроиках
Введение
Актуальность исследования.
Физика магнитоэлектрических явлений, активно развиваемая в наши дни, также как и электромагнетизм, описываемый уравнениями Максвелла, относятся к фундаментальной проблеме взаимосвязи электрических и магнитных явлений. При внешней схожести этих понятий они подразумевают разные по своей природе эффекты. Электромагнитные явления тесно связаны с электродинамикой, то есть проявляются только при движении электрических зарядов, или при изменении магнитных и электрических полей во времени. Магнитоэлектрические эффекты не ограничиваются динамическими явлениями: даже статическое электрическое поле порождает намагниченность, а статическое магнитное – электрическую поляризацию. В практическом плане это может быть большим преимуществом, поскольку позволяет избежать тепловых потерь, связанных с электрическими токами.
Магнитоэлектрические материалы и связанные с ними эффекты входят в круг приоритетных направлений научных исследований, что связано с широким спектром неординарных физических свойств, возникающих за счет наличия нескольких типов упорядочения, а также возможностей их применения в устройствах спинтроники, квантовой электроники и информационных технологиях.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ……………………………………………………………….. 3
ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МУЛЬТИФЕРРОИКОВ……………………………………………….. 6
1.1. Понятие и сущность магнитоэлектрического эффекта …….…... 6
1.2. Мультиферроики и их сущность …….…………………..………. 13
1.3. Феррит висмута – яркий представитель мультиферроиков…..… 19
ГЛАВА 2. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ………………………………. 25
2.1. Принцип работы вибрационного магнитометра…………………..……………………………………… 25
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СВОЙСТВ С ОБЪЕМНЫМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ В МУЛЬТИФЕРРОИКАХ………………………………………………. 28
3.1. Тепловое расширение и удельная теплоемкость при B=0 28
3.2. Влияние внешнего магнитного поля 30
3.3. Магнитострикция 35
3.4. Масштабирование по Грюнайзену 38
3.5. Высокочастотный электронный спиновый резонанс 40
Заключение……………………………………………………………. 43
Список использованной литературы…………………………………………………………….. 46
Список используемой литературы
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред, М.:Наука, 1992. – C.266.
2. Дзялошинский И.Е. К вопросу о магнитно-электрическом эффекте в антиферромагнетиках // ЖЭТФ. - 1959.– Т. 37. – C. 881-882.
3. Bai F., Wang J., Wuttig M., Li J.F., Wang N., Pyatakov A., Zvezdin A.K., Cross L.E., Viehland D., Destruction of spin cycloid in (111)c-oriented BiFeO3 thin films by epitiaxial constraint: Enhanced polarization and release of latent magnetization //Appl. Phys. Lett. – 2005 – V. 86. – P. 032511.
4. Cheong S.-W. and Mostovoy M. Multiferroics: a magnetic twist for ferroelectricity // Nat. Mater. – 2007, Vol. 6, P. 13-20.
5. Li J.-F., Wang J.-L, Wuttig M., Ramesh R., Wang N.-G., Ruette B., Pyatakov A. P., Zvezdin A. K., and Viehland D., Dramatically enhanced polarization in (001), (101), and (111) BiFeO3 thin films due to epitiaxial-induced transitions // Appl. Phys. Lett. – 2004. – V. 84 – P. 5261.
6. Logginov A.S., Meshkov G.A., Nikolaev A.V., Nikolaeva E.P., Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Room temperature magnetoelectric control of micromagnetic structure in iron garnet films, //Applied Physics Letters. – 2008. – V. 93. – P. 182510.
7. Viehland D., Li J.F., Zvyagin S., Pyatakov A.P., Bush A., Ruette B., Belotelov V.I., Zvezdin A.K., Induced phase transition in BiFeO3 by high-field electron spin resonance, //Ferroelectrics. – 2004. – V.301. – P. 229-234.
8. Wang K.F., Liu J.-M., Ren Z.F. Multiferroicity: the coupling between magnetic and polarization orders // Adv. Phys. – 2009, Vol. 58, P. 321-448. 3.
9. Wang N., Cheng J., Pyatakov A., Zvezdin A.K., Li J.F., Cross L.E., Viehland D. Multiferroic properties of modified BiFeO3 - PbTiO3 - based ceramics: Random-field induced release of latent magnetization and polarization // Phys. Rev. B. – 2005. –V.72. – N.1. –P. 104434.
10. Жданов А.Г., Звездин А.К., Пятаков А.П., Косых Т.Б., Viehland D., Влияние электрического поля на магнитные переходы “несоразмерная – соразмерная фаза” в мультиферроике типа BiFeO3 // Физика Твердого Тела. – 2006. – Т.48. – №.1. – С.83-89.
11. Звездин А. К., Кротов С. С., Кадомцева А. М., Воробьев Г. П., Попов Ю. Ф., Пятаков А. П., Безматерных Л. Н., Попова Е. Н., О магнитоэлектрических эффектах в ферроборате гадолиния GdFe3(BO3)4 // Письма в ЖЭТФ. – 2005. Т. 81. – С. 335-340.
12. Звездин А.К., Логгинов А.С., Мешков Г.А., Пятаков А.П. Мультиферроики: перспективные материалы микроэлектроники, спинтроники и сенсорной техники // Известия РАН, Серия физическая. – 2007. – Т. 71. – № 11. – С. 1604-1605.
13. Звездин А.К., Пятаков А.П. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // Успехи Физических Наук. – 2012, № 182, C. 593-620.
14. Звездин А.К., Пятаков А.П. Неоднородное магнитоэлектрическое взаимодействие в мультиферроиках и вызванные им новые физические эффекты //Успехи физических наук. – 2009. – Т.179. – С. 897-904.
15. Звездин А.К., Пятаков А.П. Фазовые переходы и гигантский магнитоэлектрический эффект в мультиферроиках // УФН. – 2004. – Т. 174. – C. 465-470.
16. Кадомцева А.М., Звездин А.К., Попов Ю.Ф., Пятаков А.П., Воробьев Г.П. Нарушенная четность относительно инверсии пространства и времени и магнитоэлектрические взаимодействия в антиферромагнетиках // Письма в ЖЭТФ. – 2004. – Т. 79. – С. 705- 716.
17. Кадомцева А.М., Звездин А.К., Пятаков А.П., Кувардин А.В., Воробьев Г.П., Попов Ю.Ф., Безматерных Л.Н. Исследование магнитоэлектрических взаимодействий в редкоземельных ферроборатах // ЖЭТФ. – 2007. – Т. 132. – №1. – С.134-137.
18. Кадомцева А.М., Попов Ю.Ф., Воробьев Г.П., Пятаков А.П., Кротов С.С., Камилов К.И., Иванов В.Ю., Мухин А.А., Звездин А.К., Кузьменко А.М., Безматерных Л.Н., Гудим И.А., Темеров В.Л. Магнитоэлектрические и магнитоупругие свойства редкоземельных ферроборатов.//Физика Низких Температур. – 2010. – T. 36. – вып. 6. – C. 640-653.
19. Логгинов А.С., Мешков Г.А., Николаев А.В., Пятаков А.П. Магнитоэлектрическое управление доменными границами в пленке феррита граната //Письма в ЖЭТФ. – 2007. – Т.86. – №2. – С.124-127.
20. Мультиферроики и магнитная память [Электронный ресурс]. – режим доступа: http://www.amtc.ru/news/world/2439/ – 24.02.12.
21. Мультиферроики – будущее магнитных накопителей [Электронный ресурс]. – режим доступа: http://ko.com.ua/multiferroiki_budushhee_magnitnyh_nakopitelej_42972 – 24.02.12
22. Foner S. Simple vibrating sample magnetometer // Rev. Sci. Instr. – 1959. – V.30. – № 7. P.548
23. Lubell M.S, Venturino A.S., // Rev. Sci. Instr. – 1960. – V.31. – № 2. P.207
24. Dwitht K., Menyuk N., Smith D. // J. App;. Phys. – 1958. – V.29. – №3. – P. 491
25. Zhang N., Li L.,Wu M., Li Y., Feng D., Liu C., Mao Y., Guo J., Chao M., Liang E. Negative thermal expansion and electrical properties of α-Cu2V2O7 // J. Eur. Ceram. Soc. – 2016. – V.36. – P.2761
26. Gitgeatpong G. et. al. High-field magnetization and magnetic phase diagram of α-Cu2V2O7 // Phys. Rev. B – 2017. – V.95. – P.245119
27. Sannigrahi J., Bhowal S., Giri S., Majumdar S and Dasgupta I. Exchange-striction induced giant ferroelectric polarization in copper-based multiferroic material α-Cu2V2O7 // Phys. Rev. B – 2015. – V.91. – P.220407
28. Stockert U., Leps N., Wang L., Behr G., Wurmehl S., Büchner B and Klingeler R. Pr magnetism and its interplay with the Fe spin-density wave in PrFeAsO1-x Fx (x= 0, 0.15) // Phys. Rev. B – 2012. – V.86. – P.144407
29. Banerjee A., Sannigrahi J., Bhowal S., Dasgupta I., Majumdar S., Walker H.C., Bhattacharyya A and Adroja D.T. Spin wave excitations in the pyrovanadate // Phys. Rev. B – 2016. – V.94. – P.144426
30. Pommer J, Kataev V, Choi K-Y, Lemmens P, Ionescu A, Pashkevich Y, Freimuth A and Güntherodt G. Interplay between structure and magnetism in the spin-chain compound (Cu, Zn)2V2O7 // Phys. Rev. B – 2003. – V.67. – P. 214410
31. Bahr S., Alfonsov A., Jackeli G., Khaliullin G., Matsumoto A., Takayama T., Takagi H., Büchner B. and KataevV. Low-energy magnetic excitations in the spin-orbital Mott insulator Sr2IrO4 // Phys. Rev. B – 2014. – V.89. – P.180401
32. Pincus P. Theory of Magnetic Resonance in αFe2O3 // Phys. Rev. Lett. – 1960. – V.5. – P.13
33. Turov E.A. Physical Properties of Magnetically Ordered Crystals (New York: Academic) – 1965.
На рисунке 1(а) показана температурная зависимость изменения длины dL/L и коэффициента теплового расширения α для α - Cu2V2O7 мультиферроика, что свидетельствует о низкотемпературном тепловом расширении. Результаты справедливы не только при T < 50K, как показано на рис. 1(a), но и для всего исследуемого диапазона температур (до 200K, на рисунке не показано) и, следовательно, согласуется с наблюдаемым отрицательным тепловым расширением в диапазоне температур от 300K до примерно 550 K в недавнем исследовании методом порошковой рентгенографии [25]. Кроме того, при температуре TN наблюдаются выраженные изменения решетки, которые проявляются в пикообразной аномалии коэффициента теплового расширения α, указывающего на TN = 34 ± 1 К. Одновременно изменение намагниченности подразумевает образование значительного спонтанного магнитного момента около 0,1 B. Как сообщалось ранее, ферромагнитный отклик нашего поликристаллического образца связан со слабым спонтанным моментом, возникающим только для B c [26]. Производная намагниченности ∂M/∂T (при B = 1 Тл), показанная на рис. 1, иллюстрирует образование скошенной АФМ-фазы, а ее аномалия при TN напоминает аномалию, наблюдаемую для коэффициента теплового расширения α. Хотя слабый прерывистый характер перехода при TN демонстрируется эффектами гистерезиса, описанными в [27], эволюция намагниченности и длины демонстрирует лишь очень слабый характер первого порядка, но предполагает преимущественно непрерывное поведение.