On the Origin of Magnetoelectric Phenomena in Iron Garnet Films

A. S. Kaminskiy; Каминский А. С.; N. V. Myasnikov; Мясников Н. В.; A. P. Pyatakov; Пятаков А. П.

doi:10.31857/S0015323022601507

К механизму магнитоэлектрических явлений в пленках ферритов-гранатов

Авторы: Каминский А.С.¹^,2, Мясников Н.В.¹^,2, Пятаков А.П.¹
Учреждения:
1. МГУ им. М.В. Ломоносова
2. МИРЭА – Российский технологический университет
Выпуск: Том 124, № 2 (2023)
Страницы: 190-195
Раздел: ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
URL: https://journals.rcsi.science/0015-3230/article/view/139414
DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323022601507
EDN: https://elibrary.ru/KWLQWS
ID: 139414

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

На основе микроскопического рассмотрения антисимметричного обмена в кристалле феррита граната, подвергнутого неоднородной деформации, показано, что возникающий при этом неоднородный магнитоэлектрический эффект объясняет наличие электроиндуцированных явлений, наблюдаемых в экспериментах на доменных границах в пленках ферритов-гранатов, а градиент эпитаксиальных напряжений достаточен, чтобы вызвать появление в пленках киральных магнитных структур.

Ключевые слова

магнитоэлектрический эффект, доменные границы, мультиферроики, взаимодействие Дзялошинского–Мории

Список литературы

Пятаков А.П., Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН. 2012. V. 182. № 6. P. 593.
Fiebig M., Lottermoser T., Meier D., Trassin M. The evolution of multiferroics // Nat. Rev. Mater. 2016. V. 1. P. 16 046.
Spaldin N.A., Ramesh R. Advances in magnetoelectric multiferroics // Nature Materials. Nature Publishing Group, 2019. V. 18. № 3. P. 203–212.
Spaldin N.A. Multiferroics beyond electric-field control of magnetism // Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 2020. V. 476. № 2233. P. 20190542.
Geng Y., Das H., Wysocki A.L., Wang X., Cheong S.-W., Mostovoy M., Fennie C.J., Wu W. Direct visualization of magnetoelectric domains // Nat. Mater. Nature Publishing Group, 2014. V. 13. № 2. P. 163–167.
Matsubara M., Manz S., Mochizuki M., Kubacka T., Iyama A., Aliouane N., Kimura T., Johnson S. L., Meier D., Fiebig M. Magnetoelectric domain control in multiferroic TbMnO3 // Science (80-.) . 2015. V. 348. № 6239. P. 1112–1115.
Fontcuberta J., Skumryev V., Laukhin V., Granados X., Salje E.K.H. Polar domain walls trigger magnetoelectric coupling // Sci. Rep. Nature Publishing Group. 2015. V. 5. P. 13784.
Pyatakov A.P. Magnetoelectricity goes local: From bulk multiferroic crystals to ferroelectricity localized on magnetic topological textures // Phys. B. Condens. Matter. 2018. V. 542. P. 59–62.
Gareeva Z.V., Dieguez O., Iniguez J., Zvezdin A.K. Interplay between elasticity, ferroelectricity and magnetism at the domain walls of bismuth ferrite // Phys. Status Sol. Rapid Res. Lett. 2016. V. 10. № 3. P. 209–217.
Hedrich N., Wagner K., Pylypovskyi O.V., Shields B.J., Kosub T., Sheka D.D., Makarov D., Maletinsky P. Nanoscale mechanics of antiferromagnetic domain walls // Nat. Phys. 2021. V. 17. P. 574–577.
Логгинов А.С., Мешков Г.А., Николаев А.В., Пятаков А.П. Магнитоэлектрическое управление доменными границами в пленке феррита-граната // Письма в ЖЭТФ. 2007. V. 86. № 2. P. 124–127.
Пятаков А.П., Сергеев А.С., Николаева Е.П., Косых Т.Б., Николаев А.В., Звездин К.А., Звездин А.К. Микромагнетизм и топологические дефекты в магнитоэлектрических средах // Успехи физ. наук. 2015. V. 185. № 10. P. 1077–1088.
Арзамасцева Г.В., Балбашов А.М., Лисовский Ф.В., Мансветова Е.Г., Темирязев А.Г., Темирязева М.П. Свойства обладающих магнитоэлектрическим эффектом эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов с (210)-ориентацией // Журн. экспериментальной и теоретической физики. 2015. V. 147. № 4. P. 793.
Veshchunov I.S., Mironov S.V., Magrini W., Stolyarov V.S., Rossolenko A.N., Skidanov V.A., Trebbia J.-B., Buzdin A.I., Tamarat P., Lounis B. Direct Evidence of Flexomagnetoelectric Effect Revealed by Single-Molecule Spectroscopy // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 115. № 2. 27601.
Koronovskyy V., Vakyla Y. Magneto-electric response of iron garnet film micromagnetic structure on combined action of AC and DC electric field // Electron. Mater. Lett. 2015. V. 11. № 6. P. 1028–1032.
Куликова Д.П., Пятаков А.П., Николаева Е.П., Сергеев А.С., Косых Т.Б., Николаев А.В., Звездин А.К. Зарождение цилиндрических магнитных доменов в пленках ферритов гранатов с помощью электрического зонда // Письма в ЖЭТФ. 2016. V. 104. № 3. P. 196–200.
Popova E., Shengelaya A., Daraselia D., Japaridze D., Cherifi-Hertel S., Bocher L., Gloter A., Stéphan O., Dumont Y., Keller N. Bismuth iron garnet Bi3Fe5O12: a room temperature magnetoelectric material // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 110. 142404.
Koronovskyy V.E., Vakyla Y.A. Optical investigations of the perturbations of Bloch lines stimulated by an electric field in ferrite garnets films // Phys. B Condens. Matter. 2018. V. 547. P. 79–82.
Kulikova D.P., Gareev T.T., Nikolaeva E.P., Kosykh T.B., Nikolaev A.V., Pyatakova Z.A., Zvezdin A.K., Pyatakov A.P. The Mechanisms of Electric Field-Induced Magnetic Bubble Domain Blowing // Phys. Status Solidi – Rapid Res. Lett. 2018. V. 12. 1800066.
Аплеснин С.С., Масюгин А.Н., Ситников М.Н., Ишибаши Т. Влияние подложки на магнитоэлектрический эффект пленок висмутового феррита-граната с редкоземельным замещением // Письма в ЖэТФ. 2019. V. 110. № 3–4(8). P. 204–212.
Antipin K.S., Gareev T.T., Myasnikov N.V., Nikolaeva E.P., Pyatakov A.P. Bipolar electric field-induced nucleation of magnetic domains with 90° domain walls // J. Appl. Phys. AIP Publishing LLC. 2021. V. 129. 24103.
Logginov A.S., Meshkov G.A., Nikolaev A.V., Pyatakov A.P., Shust V.A., Zhdanov A.G., and Zvezdin A.K. Electric field control of micromagnetic structure // J. Magn. Magn. Mater. 2007. V. 310. № 2. P. 2569–2571.
Popov A.I., Plokhov D.I., Zvezdin A.K. Symmetry and magnetoelectric effects in garnet crystals and films // Phys. Rev. B. 2014. V. 90. № 21. 214427.
Popov A.I., Gareeva Z. V., Zvezdin A.K. Magnetoelectricity of domain walls of rare-earth iron garnets // Phys. Rev. B. 2015. V. 92. № 14. 144420.
Bayaraa T., Xu C., Yang Y., Xiang H., Bellaiche L. Magnetic-Domain-Wall-Induced Electrical Polarization in Rare-Earth Iron Garnet Systems: A First-Principles Study // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2020. V. 125. № 6. P. 67602.
Vakhitov R.M., Solonetsky R.V., Gurjanova V.R., Nizjamova A.R., Sechin D.A., Gareev T.T., Pyatakov A.P. Magnetic-field tuning of domain-wall multiferroicity // Phys. Rev. B. American Physical Society. 2021. V. 104. № 14. 144407.
Bar’yakhtar V.G., L’vov V.A., Yablonskii D.A. Inhomogeneous magnetoelectric effect // JETP Lett. 1983. V. 37. № 12. P. 673.
Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Flexomagnetoelectric interaction in multiferroics // Eur. Phys. J. B. 2009. V. 71. № 3. P. 419–427.
Кабыченков А.Ф., Лисовский Ф.В., Мансветова Е.Г. Магнитоэлектрический эффект в пленках гранатов с наведенной магнитной анизотропией в неоднородном электрическом поле // Письма в ЖЭТФ. 2013. V. 97. № 5. P. 304–308.
Popov A.I., Zvezdin K.A., Gareeva Z.V, Mazhitova F.A., Vakhitov R.M., Yumaguzin A.R., Zvezdin A.K. Ferroelectricity of domain walls in rare earth iron garnet films // J. Phys. Condens. Matter. IOP Publishing. 2016. V. 28. № 45. 456 004.
Pyatakov A.P., Sechin D.A., Sergeev A.S., Nikolaev A.V., Nikolaeva E.P., Logginov A.S., and Zvezdin A.K. Magnetically switched electric polarity of domain walls in iron garnet films // EPL. 2011. V. 93. № 1. 17 001.
Pyatakov A.P., Gareev T.T., Kaminskiy A.S., Antipin K.S., Nikolaeva E.P., Kulikova D.P., Sergeev A.S., and Nikolaev A.V. Magnetoelectricity of chiral micromagnetic structures // Chirality, magnetism, and magnetoelectricity. 1st ed. / ed. Kamenetskii E. Springer. 2021. P. 127–145.
Sparavigna A., Strigazzi A., Zvezdin A. Electric-field effects on the spin-density wave in magnetic ferroelectrics // Phys. Rev. B. American Physical Society. 1994. V. 50. № 5. P. 2953–2957.
Moriya T. Anisotropic Superexchange Interaction and Weak Ferromagnetism // Phys. Rev. 1960. V. 120. № 1. P. 91–98.
Avci C.O., Rosenberg E., Caretta L., Büttner F., Mann M., Marcus C., Bono D., Ross C.A., Beach G.S.D. Interface-driven chiral magnetism and current-driven domain walls in insulating magnetic garnets // Nat. Nanotechnol. Springer US. 2019. V. 14. № 6. P. 561–566.
Vélez S., Schaab J., Wörnle M.S., Müller M., Gradauskaite E., Welter P., Gutgsell C., Nistor C., Degen C.L., Trassin M., Fiebig M., Gambardella P. High-speed domain wall racetracks in a magnetic insulator // Nat. Commun. Springer US. 2019. V. 10. № 1. P. 4750|.
Wang H., Chen J., Liu T., Zhang J., Baumgaertl K., Guo C., Li Y., Liu C., Che P., Tu S., Liu S., Gao P., Han X., Yu D., Wu M., Grundler D., Yu H. Chiral Spin-Wave Velocities Induced by All-Garnet Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction in Ultrathin Yttrium Iron Garnet Films // Phys. Rev. Lett. 2020. V. 124. № 2. 27203.
Keffer F. Moriya Interaction and the Problem of the Spin Arrangements in β{}MnS // Phys. Rev. American Physical Society. 1962. V. 126. № 3. P. 896–900.
Zvezdin A.K., Pyatakov A.P. On the problem of coexistence of the weak ferromagnetism and the spin flexoelectricity in multiferroic bismuth ferrite // Europhys. Letters. 2012. V. 99. 57003.
Logginov A.S., Meshkov G.A., Nikolaev A.V., Pyatakov A.P. Magnetoelectric control of domain walls in a ferrite garnet film // JETP Lett. 2007. V. 86. № 2. P. 115–118.
Huang B., Clark G., Navarro-Moratalla E., Klein D.R., Cheng R., Seyler K.L., Zhong Di., Schmidgall E., McGuire M.A., Cobden D.H., Yao W., Xiao D., Jarillo-Herrero P., Xu X. Layer-dependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit // Nature. Nature Publishing Group. 2017. V. 546. № 7657. P. 270–273.
Song Q., Occhialini C. A., Ergeçen E., Ilyas B., Amoroso D., Barone P., Kapeghian J., Watanabe K., Taniguchi T., Botana A.S., Picozzi S., Gedik N., Comin R. Evidence for a single-layer van der Waals multiferroic // Nature. 2022. V. 602. № 7898. P. 601–605.
Ai H., Li F., Bai H., Liu D., Lo K. H., Yang S. A., Kawazoe Y., Pan H. Ferroelectricity coexisted with p-orbital ferromagnetism and metallicity in two-dimensional metal oxynitrides // npj Comput. Mater. Springer US. 2022. V. 8. P. 60.
Levy N., Burke S.A., Meaker K.L., Panlasigui M.A., Zettl M., Guinea F., Castro Neto A.H., Crommie M.F. Strain-Induced Pseudo-Magnetic Fields Greater Than 300 Tesla in Graphene Nanobubbles // Science (80-.) . 2010. V. 239. № July. P. 544–547.