Spin Wave Measurements over the Full Brillouin Zone of Multiferroic BiFeO3

Jaehong Jeong, E. A. Goremychkin, T. Guidi, K. Nakajima, Gun Sang Jeon, Shin-Ae Kim, S. Furukawa, Yong Baek Kim, Seongsu Lee, V. Kiryukhin, S-W. Cheong, and Je-Geun Park
Phys. Rev. Lett. 108, 077202 (2012)
참여연구원: 정재홍 (박사과정), 박제근 교수

강유전성과 자성이 동시에 존재하는 다중강성(multiferroic) 물질은 그 작동 메커니즘에 대한 학문적 관심뿐 아니라 서로 다른 두 가지 질서변수(order parameter)를 이용한 다중 메모리 소자 등 산업적으로도 많은 관심을 끌고 있다. 이러한 다중강성 물질 중에서 BiFeO3는 상온에서 강유전성과 반강자성이 동시에 나타나는 거의 유일한 물질이다.
우리는 BiFeO3 단결정을 이용한 비탄성중성자산란실험을 통해 이 물질의 전체 브릴루앙 영역(Brillouin zone)의 스핀파를 관측하였다. 관측한 스핀파는 최인접 이웃(nearest neighbor)과 다음 최인접 이웃(next nearest neighbor) 사이의 교환 상호작용(exchange interaction)를 포함하는 기본적인 하이젠베르크 해밀토니언(Heisenberg Hamiltonian)으로 설명이 가능하다. 우리가 최초로 얻은 BiFeO3에 대한 스핀 해밀토니언은 이 물질의 특이한 자기적 성질을 이해하는 데 중요한 역할을 할 것이다.

Using inelastic neutron scattering technique, we measured the spin wave dispersion over the entire Brillouin zone of room temperature multiferroic BiFeO3 single crystals with magnetic excitations extending to as high as 72.5 meV. The full spin waves can be explained by a simple Heisenberg Hamiltonian with a nearest neighbor exchange interaction (J=4.38 meV), a next nearest neighbor exchange interaction (J’=0.15 meV), and a Dzyaloshinskii-Moriya-like term (D=0.107 meV). This simple Hamiltonian determined, for the first time, for BiFeO3 provides a fundamental ingredient for understanding of the novel magnetic properties of BiFeO3.

DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.077202