Mechanismen für das Auftreten von Multiferrozität in Selten-Erd-Orthoferriten: Die Rolle der Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung

• Antragsteller: Dr. Martin Meven, seit 10/2021
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410123747

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Projekts war die Bestimmung der mikroskopischen Mechanismen, die für die Kopplung zwischen den magnetischen und ferroelektrischen Ordnungsparametern in verschiedenen Seltenerdferrooxiden RFeO3, sogenannten Orthoferriten, verantwortlich sind, mit besonderem Schwerpunkt auf der Rolle der antisymmetrischen Dzyaloshinskii-Moriya (DM)-Wechselwirkung. Das Projekt wurde als deutsch-russisches Gemeinschaftsprojekt zwischen der RWTH Aachen und dem Kurchatov-Institut in Sankt Petersburg ins Leben gerufen. Trotz verschiedener externer Herausforderungen (Covid-19-Pandemie, lange Abschaltungen wichtiger Neutronenquellen, militärischer Konflikt in Osteuropa) konnten wir detailiert HoFeO3, TbFeO3 und YbFeO3 sowie begrenzt einige weitere Verbindungen untersuchen (R = Lu, Tm, Dy), die mit der Flux-Melt-Methode gezüchtet wurden. Zu den experimentellen Methoden gehörten makroskopische Magnetisierungs-, Dilatometrie- und Wärmekapazitätsmessungen, Röntgenpulver- und Laue-Einkristall-Diffraktion, und elastische und inelastische Einkristall-Neutronenstreuung einschließlich polarisierter Neutronen. Wir haben die magnetischen Phasendiagramme von HoFeO3 und YbFeO3 als Funktion von Temperatur und externem Magnetfeld bestimmt und mit dem von TbFeO3 verglichen. Zur genauen Betrachtung der Energiebilanz zwischen Heisenberg-Austauschwechselwirkung (HE), DM-Wechselwirkung, Einzelionenanisotropie (SIA) und externem Magnetfeld haben wir die Wechselwirkungsparameter zwischen den magnetischen Ionen der von uns untersuchten Verbindungen berechnet und mit Ergebnissen anderer Forschergruppen verglichen. Der Austausch innerhalb des Fe-Subsystems ist am stärksten, die DM-Wechselwirkung führt zu einer Spinverkippung, SIA stabilisiert das System und Wechselwirkungen vom R-Fe- und R-R-Typ führen zu einem Spin-Reorientierungsübergang mit unterschiedlichen Phasendiagrammen für die verschiedenen Seltenen Erden. So wird in HoFeO3 die Spindynamik des Fe-Subsystems durch den Ho-Spin-Reorientierungsübergang nicht beeinflusst, jedoch fanden wir eine neue niedrigsymmetrische magnetische Phase in einem Temperaturbereich, der mit dem eines berichteten großen magnetokalorischen Effekts übereinstimmt. Diese und andere Ergebnisse wurden in fünf Artikeln in Fachzeitschriften und einer Doktorarbeit veröffentlicht. Orthoferrite sind vielversprechende Kandidaten für moderne Funktionsmaterialien. Ein besseres Verständnis des Zusammenspiels ihrer grundlegenden magnetischen und elektrischen Eigenschaften könnte ihren Einsatz in zukünftigen Spintronik- und Energiespartechnologien ohne den Einsatz elektrischer Ströme ermöglichen, und wir hoffen, dass unsere Ergebnisse zu diesem Ziel beitragen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Elastic and inelastic neutron diffraction in rare-earth orthoferrite HoFeO3; talk on the Seminar of IfK RWTH Aachen, Dec. 15th 2020
  A.K. Ovsianikov
  
• Neutron inelastic scattering study of rare-earth orthoferrite HoFeO3. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 507, 166855.
  Ovsyanikov, A.K.; Zobkalo, I.A.; Schmidt, W.; Barilo, S.N.; Guretskii, S.A. & Hutanu, V.
  
• Structure and exchange interactions in rare earth orthoferrites RFeO3 (R = Ho,Tb,Dy,Yb); talk on MLZ Structure Research Group Meeting, Nov. 10th 2021.
  A.K. Ovsianikov
  
• Breaking the Magnetic Symmetry by Reorientation Transition Near 50 K in Multiferroic Magnetocaloric HoFeO3. IEEE Transactions on Magnetics, 58(2), 1-5.
  Ovsianikov, Aleksandr; Thoma, Henrik; Usmanov, Oleg; Brown, Penelope Jane; Chatterji, Tapan; Sazonov, Andrew; Barilo, Sergey; Peters, Lars & Hutanu, Vladimir
  
• Breaking the magnetic symmetry in the HoFeO3 in an external magnetic field; Joint Annual Report 2021 of the MLZ and FRM II, 66 (2022)
  A. Ovsianikov; H. Thoma; O. Usmanov; P. J. Brown; T. Chatterji; A. Sazonov; S. Barilo; L. Peters & V. Hutanu
  
• Breaking the magnetic symmetry in the HoFeO3 in an external magnetic field; Joint Annual Report 2021 of the MLZ and FRM II, 66 (2022)
  A. Ovsianikov; H. Thoma; O. Usmanov; P. J. Brown; T. Chatterji; A. Sazonov; S. Barilo; L. Peters & V. Hutanu
  
• Crystal Field Parameters and Magnetic Properties Correlations in Rare-earth Orthoferrite HoFeO3. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 16(6), 1041-1047.
  Usmanov, O. V.; Ovsianikov, A. K.; Zobkalo, I. A.; Shaykhutdinov, K. A.; Terentjev, K. Yu. & Semenov, S. V.
  
• Exchange interactions and phase transitions in an external magnetic field in orthoferrites RFeO3 (R = Ho, Tb, Yb); talk on MLZ User Meeting 2022; Dec. 8th 2022
  A.K. Ovsianikov
  
• Inelastic neutron studies and diffraction in magnetic fields of TbFeO3 and YbFeO3. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 563, 170025.
  Ovsianikov, A.K.; Usmanov, O.V.; Zobkalo, I.A.; Schmidt, W.; Maity, A.; Hutanu, V.; Ressouche, E.; Shaykhutdinov, K.A.; Yu, Terentjev K.; Semenov, S.V.; Meven, M.; Roth, G. & Peters, L.
  
• Magnetic phase diagram in rare earth orthoferrite HoFeO3 from single crystal neutron diffraction in external magnetic field; poster on 30th Annual Meeting of the German Crystallographic Society, Munich, March 27-30 2022
  A.K. Ovsianikov; I.A. Zobkalo; V. Hutanu; S.N. Barilo; K.A. Shaykhutdinov; T. Chatterji; M. Meven; P.J. Brown; G. Roth & L. Peters
  
• Magnetic phase diagram of HoFeO3 by neutron diffraction. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 557, 169431.
  Ovsianikov, A.K.; Usmanov, O.V.; Zobkalo, I.A.; Hutanu, V.; Barilo, S.N.; Liubachko, N.A.; Shaykhutdinov, K.A.; Terentjev, K. Yu; Semenov, S.V.; Chatterji, T.; Meven, M.; Brown, P.J.; Roth, G.; Peters, L.; Deng, H. & Wu, A.
  
• Exchange interactions in the iron subsystem in rare-earth orthofferites RFeO3 (R = Ho, Tb); poster on 31st Annual Meeting of the German Crystallographic Society (DGK), Frankfurt am Main, March 27-30 2023
  A.K. Ovsianikov; P. Fabrykiewicz; I. A. Zobkalo; W. Schmidt; A. Maity; K.A. Shaykhutdinov; M. Meven & G. Roth
  
• Magnetic phase diagram of HoFeO3 by neutron diffraction; Joint Annual Report 2022 of MLZ & FRM II, 57 (2023)
  A. K. Ovsianikov; I. A. Zobkalo; V. Hutanu; S. N. Barilo; N. A. Liubachko; T. Chatterji; M. Meven; P. J. Brown; G. Roth & L. Peters
  
• Study of exchange interactions in the single crystal of TbFeO3 by inelastic neutron scattering; Joint Annual Report 2022 of MLZ & FRM II, 60 (2023)
  A. K. Ovsianikov; I. A. Zobkalo; A. Maity; M. Meven & G. Roth
  
• The role of exchange interactions in the formation of the magneticstructure in rare-earth orthoferrites RFeO3 (R = Ho, Tb, Yb); PhD thesis, RWTH AachenUniversity
  A.K. Ovsianikov