Temperature-Dependent Interplay of Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and Single-Ion Anisotropy in Multiferroic BiFeO3

상온 다중강성 물질 BiFeO3는 상온 이상에서 강유전성과 자성을 동시에 보이는 물질로서 두 가지 질서변수의 공존과 상호작용에 관한 학문적 관심과 이를 이용한 다중기능 소자 개발 등 산업적 관심을 동시에 받아왔다. 이 물질의 복잡하고 독특한 자성구조 및 자기 동역학을 연구하면 Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 상호작용과 다중강성을 연결하여 이해할 수 있다. 본 연구단은 이 물질의 전체 스핀파를 최초로 측정하여 2012년 PRL(Phys. Rev. Lett. 108, 077202 (2012))에 보고하였고, 이번 연구에서는 저에너지 영역의 스핀파를 측정하여 온도에 따른 DM 상호작용과 자기이방성(magnetic anisotropy)의 변화를 관찰하였다. 실험과 이론 계산을 통해 저에너지 영역의 독특한 스핀파 스펙트럼이 DM 상호작용과 작은 자기이방성의 상호 영향에 의해 나타남을 보였고, 자기이방성의 형태 및 사이클로이드 자기구조의 부조화(anharmonicity) 상수를 실험적으로 결정하였다.

Authors: Jaehong Jeong, Manh Duc Le (SNU & IBS-CCES), P. Bourges, S. Petit (LLB), S. Furukawa (Univ. of Tokyo), Shin-Ae Kim, Seongsu Lee (KAERI), S-W. Cheong (Rutgers Univ.), and Je-Geun Park (SNU & IBS-CCES)

Abstract: Low-energy magnon excitations in multiferroic BiFeO3 were measured in detail as a function of temperature around several Brillouin zone centers by inelastic neutron scattering experiments on single crystals. Unique features around 1 meV are directly associated with the interplay of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction and a small single-ion anisotropy. The temperature dependence of these and the exchange interactions were determined by fitting the measured magnon dispersion with spin-wave calculations. The spectra best fit an easy-axis type magnetic anisotropy and the deduced exchange and anisotropy parameters enable us to determine the anharmonicity of the magnetic cycloid. We then draw a direct connection between the changes in the parameters of spin Hamiltonian with temperature and the physical properties and structural deformations of BiFeO3.
Ref: Phys. Rev. Lett. 113, 107202 (2014)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.107202