Magnetic field-induced ferroelectricity in S = 1/2 kagome staircase

Ni3V2O8 는 카고메 계단 구조를 가지고 S = 1 (Ni2+) 스핀을 가지면서 자기정렬에의해 강유전체가 되는 대표적인 다강체 물질로 지난 15년간 자리매김해왔다. 하지만, 양자 스핀 물성이 기대되는 Cu2+ (S = 1/2) 이온이 포함된 산화물의 경우 양자 요동 (quantum fluctuation)이 크기 때문에 자기전기효과 혹은 다강성을 쉽게 관측하지 못하였다. 본 연구단은 러시아 이론 그룹과 미국 고자기장 연구소와의 공동 연구를 주도하여, 카고메 계단 구조를 가지면서 Cu2+ (S = 1/2) 이온으로 구성된 PbCu3TeO7 라는 물질이 자기장에 의해 전기분극이 발생하는 새로운 자기전기성 다강체임을 발견하였다. 본 연구를 위해 유박사와 연구진은 BK21 지원을 받아 미국 국립 고자기장 연구소에서 50 T 까지 자화율 및 전기분극을 측정하였다. 그 결과 40 T 부근에서 a방향 전기분극이 사라지면서 자화율의 기울기가 급격하게 변하는 것을 관측하였다. 그 자기전기효과의 기작을 이해하기 위해 본 연구단은 러시아에 Southern Federal 대학교 Nikita Ter-Oganessian 박사의 도움으로 몬테 카를로(Monte Carlo) 계산을 통해 순서매개변수(order parameter)의 크기를 알아내고 밀도함수이론(density functional theory)를 통해 교환상호작용의 크기를 계산한 후 이 물질의 자성구조를 이론적으로 제안하였다. 이로부터 실험 결과에서 얻어진 상평형도를 잘 설명할 수 있는 이론적 자성구조와 상평형도를 얻을 수 있었다.

Authors: Kyongjun Yoo, B. Koteswararao, Jeonghun Kang, Aga Shahee, Woohyun Nam, Fedor F. Balakirev, Vivien S. Zapf, Neil Harrison, Alexander Guda, Nikita Ter-Oganessian and Kee Hoon Kim,
npj Quantum Materials 3, Article number: 45 (2018). (doi:10.1038/s41535-018-0117-0)

https://www.nature.com/articles/s41535-018-0117-0