КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-22-00682

НазваниеСлабые ферримагнетики - системы с конкурирующими взаимодействиями Дзялошинского - перспективные материалы магнитоэлектроники

РуководительМосквин Александр Сергеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-207 - Магнитные явления

Ключевые словаслабые ферримагнетики, взаимодействие Дзялошинского, молекулярное поле, метод Монте-Карло, кривые намагничивания, точки компенсации, обменное смещение, магнитокалорический эффект

Код ГРНТИ29.19.37

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В 1977 г. в рамках развиваемой А. С. Москвиным с коллегами (Е. В. Синицын, И. Г. Бострем) микроскопической теории взаимодействия Дзялошинского-Мория, или антисимметричного обмена, было установлено соотношение (правило) знаков вектора Дзялошинского в парах различных 3d- ионов S-типа (Cr3+, Mn4+, Fe3+, Mn2+, Ni2+ с конфигурациями 3d3,3d5,3d8), на основе которого было предсказано появление нового типа магнитного упорядочения в смешанных системах типа ферритов-хромитов YFe1-xCrxO3 с конкурирующими знаками вектора Дзялошинского, названного поперечным слабым ферримагнетизмом. Характерной особенностью слабых ферримагнетиков являлось появление точек концентрационной и температурной компенсации магнитного момента, а также необычных спин-переориентационных переходов. В том же году это теоретическое предсказание получило подтверждение в экспериментах на монокристаллах YFe1-xCrxO3 в группе А. М. Кадомцевой на физическом факультете МГУ (A. М. Кадомцева, А. С. Москвин с сотр., Природа аномальных магнитных свойств ферритов-хромитов иттрия, ЖЭТФ, т.72, в. 6, с. 2286-2297, 1977). В течение 10 лет был проведен ряд совместных теоретических и экспериментальных исследований ряда слабых ферримагнетиков (RFe1-xCrxO3, R=Y, Nd, Gd; Fe1-xCrxBO3, Mn1-xNixCO3 ), носивших чисто академический интерес, без какого-либо интереса к перспективам практического использования новых материалов. Резкий рост интереса к системам с точкой компенсации, в частности, и к слабым ферримагнетикам в последнее десятилетие был вызван перспективами их применения в магнитной памяти и различных устройствах магнитоэлектроники (см. обзор A. Kumar, S.M. Yusuf / Physics Reports 556 (2015) 1–34). Так, слабый ферримагнетик YFe0.5Cr0.5O3 демонстрирует перемагничивание (magnetization reversal, MR, also called negative magnetization) при малых приложенных полях (Jinhua Mao et al., Appl. Phys. Lett. 98, 192510 (2011)). Ниже температуры компенсации (Tcomp) настраиваемое биполярное переключение намагниченности демонстрируется путем изменения величины поля при сохранении его направления. Соединение также демонстрирует как нормальный, так и обратный магнитокалорический эффект соответственно выше и ниже Tcomp = 260 K. В широком классе слабых ферримагнетиков наблюдается аномальный эффект отрицательного теплового расширения (F. Pomiro et al., Phys. Rev. B 94, 134402 (2016)), что свидетельствует о специфическом взаимодействии магнитной подсистемы с решеткой. Уникальной особенностью некоторых слабых ферримагнетиков RFe1-xCrxO3 с немагнитным R-ионом является обнаружение спин-переориентационных переходов (A. M. Kadomtseva and A. S. Moskvin, Acta Phys. Polonica A 68, 303 (1985)), типичных для ортоферритов и ортохромитов с магнитными R-ионами. Слабые ферримагнетики могут проявлять эффект перестраиваемого обменного смещения (exchange bias (EB) effect), причем в них, в отличие от типичных систем с обменным смещением типа гетероструктур ферромагнетик/антиферромагнетик, это явление наблюдается в единой магнитной системе. Эффект обменного смещения в слабых ферримагнетиках можно настраивать предсказуемым образом, так что они могут иметь потенциальное применение в электромагнитных устройствах. Недавно EB-эффект с изменением знака был обнаружен в феррите-хромите LuFe0.5Cr0.5O3 (I. Fita, V. Markovich, A. S. Moskvin et al., Phys. Rev. B 97, 104416 (2018)), который является слабым ферримагнетиком ниже TN = 265 K, демонстрируя антипараллельную ориентацию средних слабоферромагнитных моментов подрешеток Fe и Cr из-за противоположного знака вектора Дзялошинского Fe–Cr по сравнению со знаком для связей Fe–Fe и Cr–Cr. Слабоферромагнитные моменты Fe- и Cr-подрешеток в этом соединении компенсируют друг друга при температуре Tcomp = 230 K, что приводит к инверсии суммарного магнитного момента и наблюдаемой отрицательной намагниченности при умеренной величине приложенного поля ниже Tcomp. Разнообразие таких необычных свойств, как высокая температура компенсации, регулируемый положительный/отрицательный EB-эффект ниже/выше Tcomp и переключение направления намагничивания на противоположное с помощью магнитного поля без изменения его полярности, делает LuFe0.5Cr0.5O3 и другие слабые ферримагнетики перспективными кандидатами для применения в магнитной памяти. Сочетание эффекта перемагничивания с магнитоэлектроникой представляет огромный технологический потенциал для приложений в различных устройствах, например, термически поддерживаемых магнитных запоминающих устройствах с произвольным доступом, термомагнитных переключателях и других многофункциональных устройствах, с предварительно выбранным и удобным способом настройки. Особые магнитокалорические свойства слабых ферримагнетиков в области точек компенсации и спиновой переориентации указывают на их перспективность как материалов для магнитного охлаждения. Слабые ферримагнетики RFe1-xCrxO3 (R=Ho, Er, Yb, Y, Lu) при большой концентрации Cr могут проявлять ферроэлектрические свойства (J. R. Sahu et al., Mater. Chem. 17, 42 (2007)), то есть будут мультиферроиками. Несмотря на появление в последние годы довольно большого количества экспериментальных исследований слабых ферримагнетиков (кстати, выполненных на поликристаллических образцах, в отличие от монокристаллов в первых экспериментах группы А.М. Кадомцевой), вопрос о физическом механизме формирования их необычных свойств остается дискуссионным. В частности, это касается роли образования суперпарамагнитных нанокластеров (см., например, M. Tamine et al., JMMM, 140–144, 1765 (1995); Florencia E. Lurgo et al., PRB, 103, 014447 (2021)), влияния термообработки (P. Coutinho and P. Barrozo, Appl. Phys. A 124, 668 (2018)). Первые попытки описания концентрационных и температурных зависимостей намагниченности слабых ферримагнетиков, выполненные группой А. С. Москвина в рамках приближения молекулярного поля еще в конце 70-х годов, и воспроизведенные через 35 лет для системы YFeCrO3 (N. Dasari et al., Europhys. Lett. 99, 17008 (2012)), а также и недавние расчеты методом Монте-Карло (см., например, F. E. Lurgo et al., PRB, 103, 014447 (2021)) проведены в рамках упрощенной модели, не учитывающей реальной структуры взаимодействия Дзялошинского-Мория, приводящего не только к явному, но и «скрытому» скосу магнитных подрешеток (слабый «антиферромагнетизм»), так и симметричной спиновой анизотропии. Более того, до сих пор дискутируется вопрос о реальной роли взаимодействия Дзялошинского-Мория в формировании слабого ферромагнетизма в ортоферритах, а значит и слабых ферримагнетиках (см. работу J.-S. Zhou et al., PRB, 102, 104420 (2020)). Особого внимания заслуживает проблема описания слабых ферримагнетиков RFe1-xCrxO3 с магнитными R-ионами, включая сравнительный анализ эффектов высокотемпературного и низкотемпературного перемагничивания, вызванного компенсацией магнитного момента без участия и с участием R-подрешетки соответственно, разработку теории спиновой переориентации в слабых ферримагнетиках, теории прямого и обратного магнитокалорического эффекта. Данный проект предполагает решение ряда актуальных вопросов физики редкоземельных слабых ферримагнетиков типа RFe1-xCrxO3 и разработку научно-обоснованных рекомендаций по созданию на их основе новых перспективных материалов для магнитокалорики и магнитоэлектроники: − Обоснование формы спин-гамильтониана слабых ферримагнетиков, проведение достоверных оценок параметров обменного взаимодействия, взаимодействия Дзялошинского-Мория, симметричной спиновой анизотропии в слабых ферримагнетиках типа YFe1-xCrxO3. − Разработка теории 4f-3d-взаимодействия в редкоземельных слабых ферримагнетиках. − Разработка теории спиновой переориентации в слабых ферримагнетиках RFe1-xCrxO3 с магнитными и немагнитными (La, Y, Lu) R-ионами. − Разработка программы для компьютерного моделирования магнитных и магнитокалорических свойств слабых ферримагнетиков в рамках приближения молекулярного поля и метода Монте-Карло при выборе исходного гамильтониана с правильными параметрами основных взаимодействий. − Разработка научно-обоснованных рекомендаций по синтезу на основе слабых ферримагнетиков новых перспективных материалов для магнитокалорики и магнитоэлектроники с рабочими температурами вблизи комнатной температуры.

Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта будет решен ряд актуальных задач физики редкоземельных слабых ферримагнетиков типа RFe1-xCrxO3, в частности будут проведены достоверные оценки параметров обменного взаимодействия, взаимодействия Дзялошинского-Мория, симметричной спиновой анизотропии в слабых ферримагнетиках типа YFe1-xCrxO3; разработана теория 4f-3d-взаимодействия в редкоземельных слабых ферримагнетиках; разработана теория спиновой переориентации в слабых ферримагнетиках RFe1-xCrxO3 с магнитными и немагнитными (La, Y, Lu) R-ионами; разработана программа для компьютерного моделирования магнитных и магнитокалорических свойств слабых ферримагнетиков в рамках приближения молекулярного поля и метода Монте-Карло при выборе исходного гамильтониана с разумными параметрами основных взаимодействий. Решение этих задач имеет принципиальное значение для понимания физических механизмов формирования магнитных и магнитокалорических свойств слабых ферримагнетиков − нового класса магнитных материалов. На основе полученных результатов будут даны научно-обоснованные рекомендации по целенаправленному поиску и синтезу новых перспективных материалов для магнитокалорики и магнитоэлектроники на основе слабых ферримагнетиков.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В 2022 г. получены следующие конкретные научные езультаты: 1. Дан детальный анализ различных слагаемых спин-гамильтониана редкоземельных слабых ферримагнетиков типа RFe1-xCrxO3 – сверхобменного взаимодействия Fe-O-Fe, Cr-O-Cr, Fe-O-Cr, взаимодействия Дзялошинского Fe-O-Fe, Cr-O-Cr, Fe-O-Cr, одноионной и двухионной анизотропии второго порядка, одноионной анизотропии четвертого порядка для Fe-ионов с аргументацией их роли в определении магнитных свойств, намагниченности и магнитной анизотропии, спин-переориентационных переходов. 2. Дан анализ тензорной структуры 4f-3d-обмена и зависимости параметров изотропного и анизотропного обмена от номера редкоземельного элемента. В отличие от магнитодипольного вклада в эффективное магнитное поле на R-ионах, плавно возрастающего при переходе от легких к тяжелым R-ионам, обменный изотропный и квазидипольный вклады существенно и нерегулярно различаются для разных R-ионов с ярко выраженной особенностью для иона Sm3+. 3. Для слабых ферромагнетиков RFeO3 и RCrO3 разработана теория спиновой переориентации, индуцированной 4f-3d-взаимодействием: взаимодействием 3d-подрешетки с хорошо изолированным нижним крамерсовым дублетом или некрамерсовым квазидублетом 4f-иона. Получено выражение для свободной энергии и на его основе выведено трансцендентное управляющее уравнение, описывающее спонтанную спиновую переориентацию в слабых ферромагнетиках RFeO3 и RCrO3 в ac- и bc-плоскостях. Для данного уравнения были найдены решения при положительной первой константе анизотропии и подробно рассмотрены случаи разных значений второй константы анизотропии. Показано, что как температура, так и характер спин-переориентационного перехода, являются результатом конкуренции спиновой анизотропии второго и четвертого порядков 3d-подрешетки, кристаллического поля для 4f-ионов и 4f-3d-взаимодействия. Разработанная теория спиновой переориентации дает качественное описывание многих известных сценариев спиновой переориентации, включая один резкий фазовый переход первого рода; два плавных перехода второго рода; один плавный переход второго рода, завершающийся угловой конфигурацией спинов. В отличие от известного «высокотемпературного» приближения, разрабатываемая нами теория предсказывает появление СП-переходов смешанного типа, которые начинаются фазовым переходом второго рода и завершаются резким переходом первого рода. 4. Разработана принципиальная схема расчетов магнитных свойств, температурных и концентрационных точек компенсации, магнитной анизотропии и спиновой переориентации слабых ферримагнетиков типа YFe1-xCrxO3, включая составы с немагнитным замещением, в рамках теории молекулярного поля. 5. Предсказаны особенности циркулярной магнитооптики слабых ферримагнетиков типа YFe1-xCrxO3, связанные с конкуренцией ферромагнитного и антиферромагнитного вкладов в вектор гирации и различной частотной зависимостью парциальных Fe- и Cr-вкладов.

Публикации

1. Москвин А.С., Васинович Е.В., Шадрин А.Н. Simple Realistic Model of Spin Reorientation in 4f-3d Compounds. Magnetochemistry, 8(4), 45-52 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/magnetochemistry8040045

2. Москвин А.С. Charge Transfer Transitions and Circular Magnetooptics in Ferrites Magnetochemistry, 8(8), 81 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/magnetochemistry8080081

3. Васинович Е.В., Москвин А.С., Шадрин А.Н. A SIMPLE EXACTLY SOLVABLE SPIN-REORIENTATION MODEL IN RARE-EARTH ORTHOFERRITES VIII Euro-Asian Symposium «Trends in MAGnetism» EASTMAG–2022 August 22–26, 2022, Kazan, Russia BOOK OF ABSTRACTS. VOLUME II, Volume II, 112-113 (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Представлен краткий критический обзор 50-летней истории экспериментальных и теоретических исследований магнитных свойств нового перспективного класса слабых ферримагнетиков типа RFe1−xCrxO3 с немагнитным R-ионом (R=La, Y, Lu) – систем с конкурирующими знаками векторов Дзялошинского Fe–Fe, Cr–Cr и Fe–Cr. В частности показана ошибочность трактовки в ряде работ магнитных свойств, прежде всего температурной и концентрационной зависимостей намагниченности слабых ферримагнетиков YFe1−xCrxO3. Для анализа магнитных свойств слабых ферримагнетиков предложены . и сравнены два варианта теории молекулярного поля, MFA-I и MFA-II. Первый вариант не учитывает зависимости молекулярных полей от конфигурации окружения d-ионов, тогда как второй вариант учитывает зависимость малых компонент локального молекулярного поля, описывающих эффекты явной (F-типа) и скрытой (A-, C-типа) неколлинеарности спинов, от конфигурации ближайшего окружения, типичные для учета изотропного обмена и антисимметричного DM-взаимодействия, соответственно. Сравнение методов показывает наличие существенного расхождения в описании температурных зависимостей намагниченности слабых ферримагнетиков в области промежуточных концентраций. В рамках приближения молекулярного поля проведены расчеты температур Нееля, средней величины магнитных моментов 3d-ионов, полных и парциальных намагниченностей, эффективных констант анизотропии. Показано существование в модельной системе YFe1−xCrxO3 двух областей отрицательной намагниченности 0.25 ≤ x ≤ 0.5 и x ≈ 0.8 с соответствующими точками компенсации, достигающих «рекордной» комнатной температуры при x = 0.45. В целом метод молекулярного поля фактически с единственным параметром теории dFeCr позволяет дать полуколичественное описание температур Нееля, температурных и концентрационных зависимостей намагниченности слабых ферримагнетиков YFe1−xCrxO3, включая положение точек компенсации намагниченности. Высказано предположение о пространственной ориентации вектора антиферромагнетизма и конфигурации Gxyz как причине малой величины намагниченности насыщения, наблюдаемой экспериментально для составов. Явление спиновой переориентации, наблюдаемое для монокристаллических образцов в широком диапазоне концентраций, объясняется резким уменьшением вклада антисимметричного обмена в магнитную анизотропию с ростом отклонения от родительских составов и конкуренцией вкладов одноионной анизотропии ионов Fe и Cr. Показано, что для адекватного количественного описания спиновой переориентации в слабых ферримагнетиках необходим более точный учет вклада DM-взаимодействия в магнитную анизотропию. Показано, что вклад одноионной анизотропии в намагниченность не превышает 10% от величины F = 0 01, типичной для основного «антисимметричного» вклада в ортоферритах и ортохромитах. Однако для слабых ферримагнетиков типа YFe1−xCrxO3, особенно в области компенсации основного «антисимметричного» вклада в намагниченность, малый «симметричный» вклад одноионной анизотропии может играть важную роль. Предсказаны особенности циркулярной магнитооптики слабых ферримагнетиков типа YFe1-xCrxO3, связанные с конкуренцией ферромагнитного и антиферромагнитного вкладов в вектор гирации и различной частотной зависимостью парциальных Fe- и Cr-вкладов.

Публикации

1. Васинович Е.В., Москвин А.С. Simple spin-reorientation model for rare-earth orthoferrites and orthochromites Physics of the Solid State, Vol. 65, No. 6, 2023, 889-892 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.21883/PSS.2023.06.56096.02H

2. Е.В. Васинович, А.С. Москвин Простая спин-переориентационная модель редкоземельных ортоферритов и ортохромитов Физика твердого тела, Физика твердого тела, 2023, том 65, вып. 6, 928-931 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.21883/FTT.2023.06.55645.02H

3. Васинович Е.В., Москвин А.С. Simple spin-reorientation model in rare-earth orthoferrites and orthochromites Materials Science and Nanotechnology (MSN-2023). Abstract Book of International Conference (Ekaterinburg, August 27-30, 2023) Ekaterinburg, Ural Federal University, 2023- 179 c., Materials Science and Nanotechnology (MSN-2023). Abstract Book of International Conference (Ekaterinburg, August 27-30, 2023) Ekaterinburg, Ural Federal University, 2023- 140-141. (год публикации - 2023)

4. Васинович Е.В., Москвин А.С. Особенности магнитной анизотропии и спиновой переориентации в слабых ферримагнетиках RFe1-xCrxO3 ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ, КРИТИЧЕСКИЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ Сборник трудов международной конференции 10-15 сентября 2023 г., Махачкала, ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ, КРИТИЧЕСКИЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ Сборник трудов международной конференции 10-15 сентября 2023 г., Махачкала, с.73-74 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.33580/9785002123148

5. Васинович Е.В., Москвин А.С. Простая спин-переориентационная модель редкоземельных ортоферритов и ортохромитов Нанофизика и наноэлектроника. Труды XXVII Международного симпозиума (Нижний Новгород, 13–16 марта 2023 г.). Н-25 В 2 томах. Том 1-й. — Нижний Новгород : ИПФ РАН, 2023. — 496 с., НАНОФИЗИКА И НАНОЭЛЕКТРОНИКА Труды XXVII Международного симпозиума 13–16 марта 2023 г., Нижний Новгород Том 1, с.159-160 (год публикации - 2023)

6. Москвин А.С., Васинович Е.В. Теория спиновой переориентации в редкоземельных ортоферритах и ортохромитах ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ, КРИТИЧЕСКИЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ Сборник трудов международной конференции 10-15 сентября 2023 г., Махачкала, ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ, КРИТИЧЕСКИЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ Сборник трудов международной конференции 10-15 сентября 2023 г., Махачкала, с.35 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.33580/9785002123148

7. А.С. Москвин, Е.В. Васинович Features of magnetization and spin reorientation in weak ferrimagnets of the YFe1−xCrxO3 type arXiv: [cond-mat.str-el], arXiv:2312.04381 cond-mat.str-el (год публикации - 2023) https://doi.org/10.48550/arXiv.2312.04381

Возможность практического использования результатов
Слабые ферримагнетики -- системы с конкурирующими взаимодействиями Дзялошинского-Мория типа YFe1-xCrO3 обладают уникальными магнитными свойствами, прежде всего, наличием точек температурной компенсации намагниченности, "отрицательной" намагниченности, эффектом обменного смещения, что делает их перспективными материалами для различных устройств спинтроники и магнитокалорики. В ходе работ по проекту нами предсказано появление точки компенсации в составе YFe1-xCrxO3 (x=0.45) вблизи комнатной температуры, что делает этот состав рекордсменом среди всех известных систем с точкой компенсации намагниченности и существенно упрощает использование такого материала в устройствах магнитоэлектроники.