Наиболее важные научные результаты

1. В последние несколько лет в лаборатории РСЭ активно развиваются исследования, связанные с поиском магнитоэлектрических мультиферроиков. В рамках этой тематики разработаны раствор-расплавные технологии выращивания высококачественных тригональных монокристаллов замещенных редкоземельных ферро- и алюмоборатов Re11-xRe2xFe3(BO3)4, Re11-xRe2xAl3(BO3)4 Предложены новые растворы-расплавы на основе тримолибдата висмута для выращивании монокристаллов редкоземельных ферроборатов со структурой хантита. По разработанным методикам выращены высококачественные монокристаллы, с использованием которых выполнен ряд приоритетных исследований по изучению магнитного и электрического упорядочения [1-2].

rse12.jpg  Ris13.jpg
Кристаллы SmFe3(BO3)4 Кристаллы TmAl3(BO3)4.

2. В монокристаллах NdFe3(BO3)4 обнаружено существование длиннопериодической геликоидальной структуры при температурах от 5 до 13,5К [3,4].

3. В редкоземельных ферроборатах RFe3(BO3)4 (R = Y, Pr ÷ Er) при температурах ниже температуры антиферромагнитного упорядочения TN = 30 - 40 К, обнаружено возникновение спонтанной электрической поляризации [5-7].

4. К наиболее важным результатам исследования боратов RM3(BO3)4 стоит отнести недавнее обнаружение в алюмоборате HoAl3(BO3)4 гигантского магнитоэлектрического эффекта [8]. Рекордная для немагнитных соединений электрическая поляризация HoAl3(BO3)4 в поле 9 Тл достигает DPаb(Bb) ≈ 5400 мкКл/м2 при Т = 3 К [9].

rse1_17.jpg rse2_17.jpg
Рис.1 Температурно-полевые зависимости поперечной магнитоэлектрической поляризации для (a) HoAl3(BO3)4 и (b) HoGa3(BO3)4.

В сотрудничестве с Центром сверхпроводимости (Хьюстон, США) проведено комплексное изучение магнитных, магнитострикционных свойств и индуцированной внешним магнитным полем электрической поляризации легкоплоскостного парамагнетика TmAl3(BO3)4 [10]. Обнаружено, что его магнитоэлектрическая поляризация превышает поляризацию многих магнитоупорядоченных мультиферроиков, например Ni3V2O8 (Pmax = 170 μC/m2), CuCrO2 (Pmax = 120 μC/m2).

rse3_17.jpg rse4_17.jpg
Рис.2 (а) Продольная и (b) поперечная электрические поляризации тригонального TmAl3(BO3)4, индуцируемые внешним магнитным полем, направленным вдоль а-оси. Вставки демонстрируют квадратичную зависимость поляризации от поля.

Этот результат впервые указывает на серьёзный потенциал редкоземельных алюмоборатов как магнитоэлектрических мультиферроиков и одновременно важен для понимания микромеханизмов ферроэлектричества и магнитоэлектрической поляризации антиферромагнитных мультиферроиков RFe3(BO3)4.

Для кристаллов SmFe3(BO3)4 [11] и HoAl3(BO3)4[12] проведен теоретический анализ и создана модель, хорошо описывающая поведение магнитной системы алюмо- и ферроборатов.

5. Впервые экспериментально зафиксировано изменение намагниченности монокристалла SmFe3(BO3)4, вызванное приложением переменного электрического поля. Как показали измерения, намагниченность ос­циллирует не только с частотой прикладываемого электрического поля, но и с удвоенной частотой. Измерены зависимости магнитоэлектрического эффекта от магнитного и электрического полей и температуры [13].

rse7_17.jpg rse8_17.jpg
Рис.3 Зависимость ΔM’yx(Ex, Hy) (a) и ΔM’xx(Ex, Hx) (b) при T=4.2 K. Кружками обозначены экспериментальные данные, а треугольниками точки, полученные линейной аппроксимацией.

6. В замещенных монокристаллах Nd1-xDyxFe3(BO3)4 = (1-x) NdFe3(BO3)4 + x DyFe3(BO3)4 конкуренция анизотропий первой легкоплоскостной (перпендикулярной оси с) и второй легкоосной (║с) подсистем порождает новые фазовые состояния [14,15]. Для монокристалла Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 во внешнем поле Н║с границы фаз, выделенные по (Н-Т) аномалиям скорости и затухания акустических волн, показаны на рис.3. Прежде всего, отметим появление спонтанных (Н=0) переходов при Т1 = 16К и Т2 = 24К. Для обоих переходов характерна перестройка магнитной структуры, а в окрестности второго из них, связанного с переориентацией спинов Nd3+ и Fe3+ от оси с в плоскость, перпендикулярную оси с, возникает ферроэлектрическая фаза. С приложением поля вдоль с переходы, сдвигаясь в сторону более низких температур, сближаются. Малый скачок намагниченности (рис. 4b) соответствует переориентации спинов Nd3+ и Fe3+ от оси с к плоскости с, а больший – ферромагнитному выстраиванию спинов Dy3+ вдоль поля.

rse5_17.jpg rse6_17.jpg
Рис.4 Температурно-полевые зависимости намагниченности монокристалла Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 во внешнем поле Н║с.

7. В SmFe3(BO3)4 обнаружен гигантский магнитодиэлектрический эффект, связанный с возрастанием (более, чем в 3 раза) диэлектрической проницаемости при T<TN и ее подавлением до первоначального уровня парамагнитного состояния в магнитном поле ~ 5 кЭ в базисной плоскости [16]. Установлена тесная связь этого эффекта с аномалиями в полевой зависимости электриче­ской поляризации. Показано, что обнаруженный магнитодиэлектрический эффект обусловлен вкладом в ε электрической восприимчивости, связанной с вращением спинов в ab-плоскости, которая возникает в области антиферромагнитного упорядочения Т < TN = 33 К и подавляется магнитным полем.

rse9.jpg rse10.jpg
Рис.5 Температурные зависимости диэлектрической проницаемости ферробората SmFe3(BO3)4.

8. Одним из самых интересных и непредсказуемых эффектов в мультиферроиках оказалась анизотропия распространения света по отношению к направлению распространения. В таком случае отличается в зависимости от направления поглощение в материале, отличаются скорости света и двулучепреломление для различных направлений. В ферроборате самария-лантана обнаружена большая анизотропия направлений. Эффект наблюдается для линейной поляризации света в диапазоне миллиметровых волн, и он остается до низких частот. Дисперсию и поглощение в окресности электромагнонного резонанса можно регулировать изменением внешнего магнитного поля и даже полностью подавлять в одном направлении. Ферроборат самария-лантана показывает гигантскую оптическую активность при изменении геометрии внешнего магнитного поля, что делает этот материал универсальным инструментом для оптического контроля: с магнитным полем в качестве внешнего параметра она позволяет переключаться между двумя функционалами: вращения плоскости поляризации и направленности анизотропии [17].

rse11_17.jpg
Рис.6 Анизотропия двулучепреломления, дихроизма и преломления в Sm0.5La0.5Fe3(BО3)4. (а) Коэффициент преломления в Sm0.5La0.5Fe3(BО3)4 для прямого (синий) и обратного (красный) распространения миллиметровых волн, (б) анизотропия двулучепреломления, (с) коэффициента поглощения в Sm0.5La0.5Fe3(BО3)4 при прямом и обратном распространении волн, (d) Анизотропия дихроизма. Символы: кружки -эксперимент; сплошная линия проходит в соответствии с моделью.

Литература:

  1. L.N. Bezmaternykh, V.L. Temerov, I.A. Gudim and N.A. Stolbovaya, “Crystallization of Trigonal (Tb,Er)(Fe,Ga)3(BO3)4 Phases with Hantite Structure in Bismute Trimolibdate-Based Fluxes”, Crystallography Reports, v. 50, Suppl. 1, 2005, p. 97.
  2. Levitin R.Z., Popova E.A., Chtsherbov R.M., Vasiliev A.N., Popova M.N., Chukalina E.P., Klimin S.A., van Loosdrecht P.H.M., Fausti D., Bezmaternykh L.N., Cascade of phase transitions in GdFe3(BO3)4. Pis'ma v ZHETF. -2004. -v. 79, iss. 9, pp. 531-534.
  3. M. Janoschek, P. Fischer, J. Schefer, B. Roessli, and V. Pomjakushin, M. Meven, V. Petricek, G. Petrakovskii and L. Bezmaternikh, “Single magnetic chirality in the magnetoelectric NdFe3(11BO3)4”, PHYSICAL REVIEW B 81, (2010) 094429;
  4. Nelson, C.S , Bezmaternykh, L.N ; Gudim, I.A. Temperature- and magnetic-field-tuning of magnetic phases in multiferroic NdFe3(BO3)4 // JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY. May 2013. V. 62. Is. 10 P.1410-1413 .
  5. А.М. Кадомцева1, Ю.Ф. Попов1, С.С. Кротов1, А.К. Звездин2, Г.П. Воробьев1, Л.Н. Безматерных3, Е.А. Попова1, «Исследование аномалий магнитоэлектрических и магнитоупругих свойств монокристаллов ферробората GdFe3(BO3)4 при фазовых переходах», Физика Низких Температур: Т. 31, Вып. 8-9 (2005), c. 1059-1067.
  6. Bezmaternykh L.N., Ovchinnikov S.G., Balaev A.D., Kharlamova S.A., Temerov V.L., Vasiliev A.D., Structural ordering and magnetism in trigonal gadolinium ferroborates, substituted by gallium. JMMM. – 2004. – v. 272-276, -suppl. 1, p. E359-E360.
  7. A.М. Кадомцева, Ю.Ф. Попов, Г.П. Воробьев, А.П. Пятаков, С.С. Кротов, К.И. Камилов, В.Ю. Иванов, А.А. Мухин, А.К. Звездин, А. М. Кузьменко, Л.Н.Безматерных, И.А. Гудим, В.Л. Темеров, "Магнитоэлектрические и магнитоупругие свойства редкоземельных ферроборатов", ФНТ, т.36, №6 (2010) 640-653.
  8. K.-C. Liang, R. P. Chaudhury, B. Lorenz, Y. Y. Sun, L. N. Bezmaternykh, V. L. Temerov and C. W. Chu, Giant magnetoelectric effect in HoAl3(BO3)4 // PHYSICAL REVIEW B 83. 2011. 180417(R)
  9. Irina A. Gudim, Evgeny V. Eremin, Maksim S. Molokeev, Vladislav L. Temerov, Nikita V. Volkov, Magnetoelectric Polarization of Paramagnetic HoAl3-XGaX(BO3)4 Single Crystals // Solid State Phenomena, 215(Trends in Magnetism: Nanomagnetism (EASTMAG-2013)) (2014) p.364
  10. R. P. Chaudhury, B. Lorenz, Y. Y. Sun, L. N. Bezmaternykh, V. L. Temerov, and C. W. Chu, “Magnetoelectricity and magnetostriction due to the rare-earth moment in TmAl3(BO3)4”, PHYSICAL REVIEW B 81, (2010), 220402
  11. Демидов А.А., Волков Д.В., Гудим И.А., Еремин Е.В., Темеров В.Л. Магнитные свойства редкоземельного ферробората SmFe3(BO3)4. ЖЭТФ, 2013 г., Том 143, Вып. 5, стр. 922.
  12. А. И. Бегунов, А. А. Демидов, И. А. Гудим+, Е. В. Еремин. Особенности магнитных и магнитоэлектрических свойств HoAl3(BO3)4. // Письма в ЖЭТФ, май 2013. том 97, вып.9, с.611–618
  13. L. Freydman, A. D. Balaev, A. A. Dubrovskiy, E. V. Eremin, V. L. Temerov, and I. A. Gudim, Direct and inverse magnetoelectric effects in HoAl3(BO3)4 single crystal // Journal of Applied Physics 115, 174103 (2014); doi: 10.1063/1.4874270
  14. А.Л. Фрейдман, А.Д. Балаев, А.А. Дубровский, Е.В. Еремин, К.А. Шайхутдинов, В.Л. Темеров, И.А. Гудим. Влияние электрического поля на намагниченность монокристалла SmFe3(BO3)4 // Физика твердого тела, 2015, том 57, вып. 7, с. 1334-1338.
  15. I.A. Gudim, E.V. Eremin, V.L. Temerov, “Flux growth and spin reorientation in trigonal Nd1-xDyxFe3(BO3)4 single crystals”, Journal of Crystal Growth 312 (2010) 2427–2430.
  16. G.A. Zvyagina, K.R, Zhekov, I.V. Bilych, A.A. Zvyagin, I.A. Gudim, V.L. Temerov, E.V. Eremin. Magnetoelastic studies of Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 in the external magnetic field: Magnetic phase transitions // ФНТ, 2013, т.39, № 11, 1202-1214.
  17. А.А. Мухин, Г.П. Воробьев, В.Ю. Иванов, А.М. Кадомцева, А.С. Нарижная, А.М. Кузьменко, Ю.Ф. Попов, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим, Гигантский магнитодиэлектрический эффект в мультиферроике SmFe3(BO3)4 // Письма ЖЭТФ. 2011. т. 93, в. 5, с. 305-311.
  18. A. M. Kuzmenko, V. Dziom, A. Shuvaev, Anna Pimenov, M. Schiebl, A. A. Mukhin, V. Yu. Ivanov, I. A. Gudim, L. N. Bezmaternykh, and A. Pimenov. Large directional optical anisotropy in multiferroic ferroborate. Phys. Rev. B 92, 184409 (2015).