Quantum theory of magnetoelectricity in rare-earth multiferroics: Nd, Sm, and Eu ferroborates

Popov, Alexander I.; Plokhov, D. I.; Zvezdin, A. K.

doi:10.1103/physrevb.87.024413

Cited by 56 publications

(56 citation statements)

References 16 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…In RFe 3 (BO 3 ) 4 , the magnitude of the electric polarization by the R 3+ and Fe 3+ ions are locally determined by the magnetic moments [22,23]. In the case of NdFe 3 (BO 3 ) 4 the existence of the in-plane anisotropy favoring order along the a axis by the Nd 3+ and/or Fe 3+ ions is a key to the emergence of the multiferroicity.…”

Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

“…The multiferroic mechanism of RFe 3 (BO 3 ) 4 is the spindependent metal-ligand hybridization model [22,23] where the relation between the electric polarization and the magnetic moment is locally determined by the symmetry of O 2− ions around the magnetic ion. In a collinear magnetic structure the local magnetic anisotropy is a casting vote in the determination of the magnetic structure, and, consequently, in the determination of the electric polarization as well.…”

Section: -6mentioning

confidence: 99%

“…The variety of the magnetic anisotropy of the R 3+ moments (R = Y, Pr, Nd, Sm, Gd, and Tb) combined with the interaction between the Fe 3+ and R 3+ moments (f -d coupling) gives rise to diverse magnetoelectric (ME) effects as a function of the R 3+ ions [16][17][18][19][20][21]. In these compounds the mechanism of magnetoelectricity is explained by the spin-dependent metal-ligand hybridization model [22,23].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

See 2 more Smart Citations

Magnetic model in multiferroicNdFe3(BO3)4investigated by inelastic neutron scattering

et al. 2015

View full text Add to dashboard Cite

We performed inelastic neutron scattering measurements on single crystals of NdFe 3 ( 11 BO 3 ) 4 to explore the magnetic excitations, to establish the underlying Hamiltonian, and to reveal the detailed nature of hybridization between the 4f and 3d magnetism. The observed spectra exhibiting a couple of key features, i.e., anticrossing of Nd and Fe excitations and anisotropy gap at the antiferromagnetic zone center, are explained by the magnetic model including spin interaction in the framework of weakly coupled Fe 3+ chains, interaction between the Fe 3+ and Nd 3+ moments, and single-ion anisotropy derived from the Nd 3+ crystal field. The combination of the measurements and calculations reveals that the hybridization between 4f and 3d magnetism propagates the local magnetic anisotropy of the Nd 3+ moment to the Fe 3+ network, leading to the determination of the bulk structure of both electric polarization and magnetic moment in the multiferroics of the spin-dependent metal-ligand hybridization type.

show abstract

Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

Section: -6mentioning

confidence: 99%

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

See 1 more Smart Citation

Magnetic model in multiferroicNdFe3(BO3)4investigated by inelastic neutron scattering

et al. 2015

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…Тригональные редкоземельные оксибораты RMe 3 (BO 3 ) 4 (где R = Y, La−Lu; M = Fe, Al, Cr, Ga, Sc) в последние годы интенсивно исследуются многими российскими и зарубежными научными группами [1][2][3][4][5][6][7]. В случае боратов с двумя магнитными подсистемами (ферробораты RFe 3 (BO 3 ) 4 ) установлена их принад-лежность к мультиферроикам [1,3,7].…”

Section: Introductionunclassified

Magnetic and magnetoelectric properties of the Tb0.75Ho0.25Fe3(BO3)4 ferroborate

et al. 2017

View full text Add to dashboard Cite

Групповым методом из раствора-расплава на основе тримолибдата висмута выращены монокристал-лы ферробората Tb 0.75 Ho 0.25 Fe 3 (BO 3 ) 4 . Исследованы его магнитные и магнитоэлектрические свойства в диапазоне температур 4.2−300 K и в магнитных полях до 9 Т. В магнитном отношении он является антиферромагнетиком с TN = 38.8 K и анизотропией типа легкая ось. Величина магнитоэлектрической поляризации оказалась больше в 1.5−2 раза, чем сумма величин поляризации, индуцированной магнитным полем, для ферроборатов TbFe 3 (BO 3 ) 4 и HoFe 3 (BO 3 ) 4 , взятых с соответствующими долями. ВведениеТригональные редкоземельные оксибораты RMe 3 (BO 3 ) 4 (где R = Y, La−Lu; M = Fe, Al, Cr, Ga, Sc) в последние годы интенсивно исследуются многими российскими и зарубежными научными группами [1][2][3][4][5][6][7]. В случае боратов с двумя магнитными подсистемами (ферробораты RFe 3 (BO 3 ) 4 ) установлена их принад-лежность к мультиферроикам [1,3,7]. Ферробораты имеют ромбоэдрическую структуру, описываемую пространственными группами R32 или P3 1 21. Ниже температуры Нееля T N = 30−40 K, спины ионов Fe 3+ антиферромагнитно упорядочиваются, редкоземельная подсистема остается неупорядоченной вплоть до температур порядка 1 K, однако за счет f −d-обмена она оказывает влияние на магнитную анизотропию ферроборатов. Ориентация магнитных моментов ионов железа относительно кристаллографических осей опре-деляется типом редкоземельного иона: реализуется либо легкоосная антиферромагнитная структура, когда спины железа упорядочены вдоль тригональной оси c (R = Dy, Tb, Pr) [2], либо легкоплоскостная структура, когда спины железа упорядочены в плоскости ab перпендикулярно оси c кристалла (R = Nd, Sm, Eu, Er, Y) [2]. Кроме того, для ферроборатов GdFe 3 (BO 3 ) 4 и HoFe 3 (BO 3 ) 4 при изменении температуры наблюдается спин-переориентационный переход от легкоосной антиферромагнитной структуры к легкоплоскостной.В связи с этим представляет интерес провести ис-следования изменения магнитной анизотропии и маг-нитоэлектрических свойств ферроборатов замещенных составов, в которых сочетаются два типа редкоземель-ных ионов, стабилизирующих структуры с различным типом магнитной анизотропии, что предположительно обеспечит большее разнообразие наблюдаемых эффек-тов и, возможно, их усиление. Например, в работе [8] показано, что максимальная величина поляризации в Ho 1−x Nd x Fe 3 (BO 3 ) 4 больше, чем в чистом HoFe 3 (BO 3 ) 4 , а в [9] экспериментальные и теоретические иссле-дования магнитных и магнитоэлектрических свойств Ho 1−x Nd x Al 3 (BO 3 ) 4 позволили проанализировать воз-можные причины уменьшения индуцированной магнит-ным полем поляризации и сделать заключение о влия-нии на магнитоэлектрические свойства оксиборатов со структурой хантита параметров кристаллического поля редкоземельного иона.Настоящая работа посвящена синтезу и экспери-ментальному исследованию новых замещенных ферро-боратов Tb 0.75 Ho 0.25 Fe 3 (BO 3 ) 4 , а также их сравнению с магнитными и магнитоэлектрическими свойствами HoFe 3 (BO 3 ) 4 и TbFe 3 (BO 3 ) 4 . • C, а ее концентрационная...

show abstract

“…Praseodymium and terbium iron borates crystallize into the trigonal noncentrosymmetric structure of the natural mineral huntite (space group R32), order into an easy-axis antiferromagnetic (AFM) structure [at 32 and 40 K for PrFe 3 ðBO 3 Þ 4 [21,22] [25]. Effects observed due to the 4f-electron-phonon interaction are particularly simple and clear for the interpretation in the case of PrFe 3 ðBO 3 Þ 4 that preserves the R32 (D 7…”

mentioning

confidence: 99%

Bifurcations of Coupled Electron-Phonon Modes in an Antiferromagnet Subjected to a Magnetic Field

et al. 2017

View full text Add to dashboard Cite

We report on a new effect caused by the electron-phonon coupling in a stoichiometric rare-earth antiferromagnetic crystal subjected to an external magnetic field, namely, the appearance of a nonzero gap in the spectrum of electronic excitations in an arbitrarily small field. The effect was registered in the low-temperature far-infrared (terahertz) reflection spectra of an easy-axis antiferromagnet PrFe 3 ðBO 3 Þ 4 in magnetic fields B ext ∥c. Both paramagnetic and magnetically ordered phases (including a spin-flop one) were studied in magnetic fields up to 30 T, and two bifurcation points were observed. We show that the field behavior of the coupled modes can be successfully explained and modeled on the basis of the equation derived in the framework of the theory of coupled electron-phonon modes, with the same field-independent electron-phonon interaction constant jWj ¼ 14.8 cm −1 .

show abstract

Quantum theory of magnetoelectricity in rare-earth multiferroics: Nd, Sm, and Eu ferroborates

Cited by 56 publications

References 16 publications

Magnetic model in multiferroicNdFe3(BO3)4investigated by inelastic neutron scattering

Magnetic model in multiferroicNdFe3(BO3)4investigated by inelastic neutron scattering

Magnetic and magnetoelectric properties of the Tb0.75Ho0.25Fe3(BO3)4 ferroborate

Bifurcations of Coupled Electron-Phonon Modes in an Antiferromagnet Subjected to a Magnetic Field

Contact Info

Product

Resources

About