Structure and spin dynamics of multiferroic BiFeO3

Structure and spin dynamics of multiferroic BiFeO3
다중강성 물질은 한 물질 내에서 강유전성과 (반)강자성을 동시에 가지는 물질군으로서 두 가지 서로 다른 질서변수가 동시에 존재함에 더해 둘 사이의 상호작용을 기반으로 하는 새로운 형태의 소자 개발 등 다양한 학문적 관심을 받고 있다. 현재까지 다양한 다강체가 알려져 있지만 그 중에서도 BiFeO3는 상온에서 다중강성을 보이고 매우 큰 유전분극을 가지고 있어서 지속적으로 각광을 받아온 물질이다. 또한 이 물질은 다중강성과 ME(magnetoelectric) 효과에서 중요한 역할을 하는 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용에 의한 긴 주기의 스핀 사이클로이드(cycloid)와 스핀 기울어짐(canting)에 의한 약한 강자성과 같은 특이한 자기구조를 가지고 있다.
본 연구팀(정재홍 군, 이상현 박사, Duc Le 박사, 박제근 교수)은 최근 중성자회절실험을 통해 ME 효과에 의한 Fe 이온의 이동을 관측하고 [PRB 88, 060103(R) (2013): Editors’ Suggestions 선정, Viewpoints in Physics 소개], 비탄성중성자산란실험을 통해 전체 브릴루앙 영역에 대한 스핀파를 처음으로 측정하였으며 [PRL 108, 077202 (2012)] 저에너지 영역에서 DM 상호작용과 자기비등방성의 상호영향을 실험적으로 관찰하였다 [PRL 113, 107202 (2014)]. 이 물질의 구조 및 스핀동역학에 대한 위와 같은 이해를 바탕으로 영국물리학회지인 Journal of Physics: Condensed Matter의 의뢰를 받아 해설논문을 게재하였다. 이 해설논문은 다중강성 물질과 BiFeO3에 대한 소개, 이 물질을 연구하기 위한 이론적 방법으로 시작하여 격자 및 자기구조와 ME 효과, 마그논 및 포논, electromagnon 등의 들뜸현상을 다룬 주요 결과들을 소개하고 최근의 성과 및 앞으로의 연구방향에 대해 제시하였다.

Authors: Je-Geun Park, Manh Duc Le, Jaehong Jeong (SNU & IBS-CCES), Sanghyun Lee (IMSS, J-PARC, KEK)
Abstract: Multiferroic materials have attracted much interest due to the unusual coexistence of ferroelectric and (anti-)ferromagnetic ground states in a single compound. They offer an exciting platform for new physics and potentially novel devices. BiFeO3is one of the most celebrated multiferroic materials and has highly desirable properties. It is the only known room-temperature multiferroic with TC≈1100 K and TN≈650 K, and exhibits one of the largest spontaneous electric polarisations, P≈80 μCcm-2. At the same time, it has a magnetic cycloid structure with an extremely long period of 620 Å, which arises from competition between the usual symmetric exchange interaction and the antisymmetric Dzyaloshinskii–Moriya (DM) interaction. There is also an intriguing interplay between the DM interaction and single ion anisotropy K. In this review, we have attempted to paint a complete picture of bulk BiFeO3 by summarising the structural and dynamic properties of both the spin and lattice parts and their magneto-electric coupling.
Keywords: multiferroic, crystal structure, magnetic structure, BiFeO3, magnetoelectric coupling, spin dynamics
Ref: J. Phys.: Condens. Matter 26, 433202 (2014)
DOI: 10.1088/0953-8984/26/43/433202
http://iopscience.iop.org/0953-8984/26/43/433202/article