University of Groningen Competing interactions in multiferroics and

University of Groningen
Competing interactions in multiferroics and low-dimensional systems
van der Vegte, Marcus Antonius
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2010
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
van der Vegte, M. A. (2010). Competing interactions in multiferroics and low-dimensional systems
Groningen: s.n.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
Samenvatting
Vele oxiden van overgangsmetalen zijn ferro-elektrisch en talloze
zijn magnetisch. Ferro-elektrische magneten die beide eigenschappen verenigen, komen echter sporadisch voor. Het onderzoek naar
dergelijke materialen die een kruiselingse koppeling vertonen tussen
magnetisatie en elektrische polarisatie is heden ten dage één van de
populairste onderzoeksvelden binnen de vaste stof fysica geworden.
In dit proefschrift bestudeer ik verschillende microscopische mechanismen voor ferro-elektrische magneten en de elementaire excitaties
van deze nieuwe materiaalklasse.
Elektrische en magnetische materialen zijn niet meer weg te denken uit de
hedendaagse technologie. Magnetische materialen worden volop toegepast in
hightech opslagmedia zoals harde schijven van computers en creditcards. In
feite is een harde schijf een verzameling van miljarden kleine nanomagneetjes. De orintatie van de magnetische gebiedjes - naar boven of naar beneden
- correspondeert met een binaire ’0’ of ’1’. Op microscopisch niveau wordt
magnetisme meestal veroorzaakt doordat elektronspins in een stof zich ordenen. Een elektronspin is te vergelijken met een kompasnaaldje met een noorden zuidpool. In een staafmagneet wijzen alle spins vast in één richting. In de
natuurkunde noemen we deze materialen ferromagneten. Ze worden veelvuldig
toegepast omdat het magnetisme zich richt naar een extern magnetisch veld
bijvoorbeeld gegenereerd door een schrijfkop. Als naburige spins in het kristalrooster tegengesteld gericht zijn spreken we van antiferromagnetisme. Daarnaast bestaan er ook hoogst complexe magnetische structuren. Het spectrum
reikt van lang uitgedijde spiraal- of helixstructuren tot magne-tische vortices.
De sensorindustrie maakt volop gebruik van een groep gerelateerde stoffen
bekend onder de naam ferro-elektrische materialen. Zij hebben een spontane elektrische plus- en minpool, die gestuurd kan worden door een extern elektrisch veld. De meeste ferro-elektrische materialen zijn ook piëzoelektrisch, dat wil zeggen een verandering in de elektrische polarisatie resulteert in een vervorming van het materiaal. Vanwege deze eigenschap worden
124
Samenvatting
ferro-elektrische condensatoren bijvoorbeeld gebruikt in medische ultrasone
machines. De condensatoren genereren allereerst ultrasone golven en luisteren
vervolgens naar de echo die gebruikt wordt om een driedimensionaal beeld van
de interne organen te maken.
Materialen waarin twee of meer ferroı̈sche eigenschappen gecombineerd
voorkomen worden multiferroı̈sch genoemd. De interesse in dergelijke slimme
materialen die meer dan een taak kunnen verrichten past binnen de hedendaagse trend naar steeds compactere elektronica. Ferro-elektrische magneten
komen bijvoorbeeld in aanmerking als hybride geheugenelement: informatieopslag in zowel het interne magnetische veld als in het interne elektrische veld
van het materiaal. Daarnaast bestaat er in dergelijke materialen een koppeling tussen de elektrische en magnetische vrijheidsgraden. Een voorbeeld
daarvan is het magneto-elektrische effect - de inductie van elektrische polarisatie door een extern magneetveld of vice versa de inductie van magnetisatie
door een elektrisch veld. Technologisch gezien is het magneto-elektrische effect buitengewoon interessant. Daarbij moet bijvoorbeeld worden gedacht aan
een magnetisch opslag medium dat zich met geringe elektrische velden laten
beschrijven en bestand zijn tegen magnetische strooivelden.
De grootste magneto-elektrische effecten zijn gemeten in composietmaterialen. Magneto-elektrische composieten maken gebruik van het feit dat bij
vele ferroı̈sche materialen het ferroı̈sche effect gepaard gaat met een macroscopische vervorming. Omgekeerd, kan mechanisch druk de magnetische of elektrische ordening veranderen. In magneto-elektrische composieten worden folies
van piëzo-magnetisch materiaal op folies van een piëzo-elektrisch materiaal
gekleefd. Hoe werkt in dit geval de koppeling tussen de verschillende materialen? Het verbluffende eenvoudige antwoord luidt: mechanisch. Want een
extern magneetveld verandert de grootte van het piëzomagnetische materiaal.
Daardoor drukt of trekt deze aan het piëzo-elektrische materiaal, hetgeen in
een elektrische spanning resulteert. Dergelijke composietmaterialen worden
reeds toegepast als magnetische veld sensoren.
Uit wetenschappelijk oogpunt is het zeer uitdagend om mechanismen te
ontdekken die ferro-elektriciteit en magnetisme combineren in één en hetzelfde
materiaal. In de afgelopen jaren zijn er verschillende nieuwe ideeën en concepten ontwikkeld. Het fascinerendste idee is waarschijnlijk dat magnetisme
zelf elektrische polarisatie kan induceren. In 2003 is experimenteel aangetoond
dat bepaalde schikkingen van spins kunnen leiden tot magneto-elektrische effecten. Bij zogenaamde cycloidisch geordende spins, wijzen de spins in het
kristalrooster als de wijzers van een klok in verschillende richtingen van de
wijzerplaat. Spiraalvormige schikkingen van de magnetisch momenten kunnen de geladen ionen in het kristal doen verschuiven. Door deze verschuiving
Samenvatting
125
ontstaat dan elektrische polarisatie. In dit proefschrift bestudeer ik ondermeer de magnetische en optische eigenschappen van multiferroı̈sch terbium
mangaanoxide in de spin-spiraal fase.
De magneto-elektrische koppeling is verbonden met het bestaan van nieuwe
excitaties, elektro-magnonen genaamd. Elektro-magnonen zijn excitaties van
de magnetische structuur, die in tegenstelling tot conventionele magnonen
(elementaire magnetische excitaties) door elektrische velden kunnen worden
aangeslagen. Hoewel het bestaan van elektro-magnonen meer dan 40 jaar
geleden is voorspelt, zijn deze excitaties pas recentelijk waargenomen in twee
groepen van mangaanoxiden. Opvallend is dat ze alleen zijn waargenomen in
multiferroı̈sche fasen. Een van de belangrijkste conclusies van dit proefschrift
is dat elektro-magnonen ook kunnen voorkomen in magneto-elektrische stoffen
met niet-collineaire spin ordening.
In YMn2 O5 , een oxide van yttrium en mangaan, verschijnen electro-magnonen in het optische absorptiespectrum in de vorm van sterke absorptiepieken
voor infrarood licht met een specifieke polarisatie. Theoretische studies in dit
proefschrift beschrijven de oorsprong van de absorptie pieken en laten zien
dat ze een afspiegelingen zijn van het magneto-elektrische effect. De absorptie
is echter alleen waargenomen in de multiferroı̈sche fase die gekenmerkt wordt
door een niet-collineare spin structuur. In een extern magnetisch veld vervalt de multiferroı̈sche fase en verdwijnen de electro-magnonen uit het spectrum. Anders gezegd, een klein magnetisch veld heeft grote invloed op de
optische kenmerken. Deze eigenschap maakt multiferroı̈sche materialen ondermeer geschikt als optische schakelaar.
Een veelbesproken alternatief om ferro-elektriciteit en magnetisme te combineren is gebaseerd op het samenspel tussen ladingsdichtheidgolven. In mangaanoxides die gedoopt zijn met lanthaan en calcium of praseodymium atomen,
blijkt ladingsordening op verschillende manieren mogelijk afhankelijk van de
temperatuur en dopingconcentratie. Allereerst kunnen de ladingen zich verdelen over de atomen. Ieder mangaan atoom heeft in dat geval meer positieve of meer negatieve lading. Daarnaast kan de lading zich verdelen over
de bindingen. Bindingen met meer negatieve lading worden versterkt en de
mangaanatomen die een versterkte binding toebehoren bewegen naar elkaar
toe. In de afgelopen jaren is er veel gespeculeerd over het bestaan een ferroelektrische fase met een derde type ladingsverdeling die een combinatie is van
de eerste twee. Uit onze berekeningen wordt echter duidelijk dat een dergelijke ferro-elektrische fase instabiel is ten opzichte van een toestand met een
incommensurabele modulatie van de ladingsdichtheid.
Het vakgebied van de magneto-elektrische en multiferroı̈sche materialen
is nog erg jong. Het valt nog te bezien hoe het zich ontwikkelt. Een ding is
126
Samenvatting
zeker: hoewel technologische toepassingen van multiferroı̈sche stoffen nog even
op zich laten wachten, zit de natuurkunde van deze materialen vol verassingen.