Phonons, Magnons, and Excitons in the Noncentrosymmetric Magnetoelectric Antiferromagnet CuB2O4

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In the last two decades copper metaborate CuB2O4 with a unique noncentrosymmetric crystal structure has become the subject of active research due to its unusual magnetic and optical properties. We consider the propagation and absorption of light in CuB2O4 based on the solution of Maxwell’s equations. We present an overview of the main results on the investigation of the phonon spectrum using infrared and Raman spectroscopy. Studies in the region of electronic transitions in Cu2+ ions in the crystal field have allowed the separation of contributions to the optical absorption from copper ions in inequivalent positions. A splitting of zero-phonon absorption lines in a magnetic field has been detected, and these results have received a theoretical explanation in terms of the exciton model. A rich structure of exciton–magnon states has been observed in the photoluminescence spectra. We have carried out a spectroscopic study of the optical second harmonic generation in the region of excitonic transitions, which has allowed the contribution of the toroidal moment and the Fano resonance to the observed signals to be revealed.

About the authors

R. V Pisarev

Ioffe Institute

Email: pisarev@mail.ioffe.ru
194021, St. Petersburg, Russia

R. M Dubrovin

Ioffe Institute

Author for correspondence.
Email: pisarev@mail.ioffe.ru
194021, St. Petersburg, Russia

References

  1. Д. И. Менделеев, Основы химии, 8-е изд., С. Петербург (1906).
  2. M. Martinez-Ripoll, S. Martinez-Carrera, and S. Garcia-Blanco, Acta Cryst. B 27, 677 (1971).
  3. R. V. Pisarev, K. N. Boldyrev, M. N. Popova, A. N. Smirnov, V. Yu. Davydov, L. N. Bezmaternykh, M. B. Smirnov, and V. Yu. Kazimirov, Phys. Rev. B 88, 024301 (2013).
  4. K. N. Boldyrev, A. D. Molchanova, A. R. Nurmukhametov, M. V. Eremin, R. V. Pisarev, and M. N. Popova, Magnetochemistry 9, 95 (2023).
  5. G. K. Abdullaev and K. S. Mamedov, J. Struct. Chem. 22, 637 (1981).
  6. W. Depmeier, H. Schmid, and F. Haenssler, Naturwissenschaften, 67, 456 (1980).
  7. W. Depmeier and H. Schmid, Acta Cryst. B 38, 605 (1982).
  8. J. Schl¨uter, D. Pohl and U. Golla-Schindler, N. Jb. Miner., 185/1, 27 (2008).
  9. G. A. Petrakovskii, K. A. Sablina, L. V. Udod, A. I. Pankrats, D. A. Velikanova, R. Szymczak, M. Baran, G. V. Bondarenko, J. Magn. Magn. Mat., 300, e476-e478 (2006).
  10. N. D. Khanh, N. Abe, K. Kubo, M. Akaki, M. Tokunaga, T. Sasaki, and T. Arima, Phys. Rev. B 87, 184416 (2013).
  11. А. Д. Молчанова, Е. М. Мошкина, М. С. Молокеев, Е. В. Тропина, A. Ф. Бовина, К. Н. Болдырев, Оптика и спектроскопия 130, 111 (2022)
  12. A. D. Molchanova, E. M. Moshkina, M. S. Molokeev, E. V. Tropina, A. F. Bovina, K. N. Boldyrev, Optics and Spectroscopy 130, 105 (2022).
  13. A. D. Molchanova, K. N. Boldyrev, A. S. Erofeev, E. M. Moshkina, and L. N. Bezmaternykh, J. Phys.: Conf. Ser. 917, 072003 (2017).
  14. I. B. Bersuker, The Jahn-Teller effect, Cambridge University Press (2006).
  15. H. Behm, Acta Cryst. B B38, 2781 (1982).
  16. A. D. Molchanova, M. A. Prosnikov, R. M. Dubrovin, V. Yu. Davydov, A. N. Smirnov, R. V. Pisarev, K. N. Boldyrev, and M. N. Popova, Phys. Rev. B 96, 174305 (2017).
  17. Е. М. Мошкина, Н. А. Бельская, М. С. Молокеевa, А. Ф. Бовина, К. А. Шабанова, Д. Кох, Ю. В. Сереткин, Д. А. Великановa, Е. В. Еремин, А. С. Крылов, Л. Н. Безматерных, ЖЭТФ 163, 24 (2023)
  18. E. M. Moshkina, N. A. Belskaya, M. S. Molokeev, A. F. Bovina, K. A. Shabanova, D. Kokh, Yu. V. Seretkin, D. A. Velikanov, E. V. Eremin, A. S. Krylov and L. N. Bezmaternykh, J. Exp. Theor. Phys. 163, 17 (2023).
  19. M. Boehm, B. Roessli, J. Schefer, A. S. Wills, B. Ouladdiaf, E. Leli'evre-Berna, U. Staub, and G. A. Petrakovskii, Phys. Rev. B 68, 024405 (2003).
  20. А. Е. Петрова, А. И. Панкрац, ЖЭТФ, 153, 607 (2018)
  21. A. E. Petrova, A. I. Pankrats, J. Exp. Theor. Phys. 126, 506 (2018).
  22. T. Kawamata, N. Sugawara, S. M. Haider, and T. Adachi, et al, J. Phys. Soc. Jpn. 88, 114708 (2019).
  23. С. Н. Мартынов, Письма в ЖЭТФ 90, 60 (2009)
  24. S. N. Martynov, JETP Letters 90, 55 (2009).
  25. С. Н. Мартынов, ЖЭТФ 135, 82 (2009)
  26. S. N. Martynov, J. Exp. Theor. Phys., 108, 72 (2009).
  27. С. Н. Мартынов, ЖЭТФ 136, 1134 (2009)
  28. S. N. Martynov, J. Exp. Theor. Phys., 109, 979 (2009).
  29. G. N'enert, L. N. Bezmaternykh, A. N. Vasiliev, and T. T. M. Palstra, Phys. Rev. B 76, 144401 (2007).
  30. М. В. Еремин, А. Р. Нурмухаметов, Письма в ЖЭТФ, 114, 31 (2021)
  31. M. V. Eremin, A. R. Nurmukhametov, JETP Letters, 114, 35 (2021).
  32. А. Р. Нурмухаметов, М. В. Еремин, ЖЭТФ 162, 390 (2022)
  33. A. R. Nurmukhametov, M. V. Eremin, J. Exp. Theor. Phys. 135, 339 (2022).
  34. M. Saito, K. Ishikawa, K. Taniguchi, and T. Arima, Phys. Rev. Lett. 101, 117402 (2008).
  35. H. D. Flack, Acta Cryst. Sect. A 65, 371 (2009).
  36. International Tables for Crystallography, Volume A: Space Group Symmetry, Th. Hahn, Editor, Springer (2002).
  37. S. F. Mason, Molecular optical activity and the chiral discriminations, Cambridge University Press, New York (1982).
  38. S. W. Lovesey and U. Staub, J. Phys.: Condens. Matter 21, 142201 (2009).
  39. T. Arima and M. Saito J. Phys.: Condens. Matter 21, 498001 (2009).
  40. S. W. Lovesey and U. Staub J. Phys.: Condens. Matter 21, 498002 (2009).
  41. S. W. Lovesey, Phys. Rev. B 94, 094422 (2016).
  42. A. K. Zvezdin and V. A. Kotov, Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials, CRC Press, Taylor and Francis (1997).
  43. A. I. Nikitchenko and R. V. Pisarev, Phys. Rev. B 104, 184108 (2021).
  44. V. M. Agranovich and V. L. Ginsburg, Crystal optics with spatial dispersion and excitons, Wiley (1985).
  45. V. G. Ivanov, M. V. Abrashev, N. D. Todorov, V. Tomov, R. P. Nikolova, A. P. Litvinchuk, and M. N. Iliev, Phys. Rev. B 88, 094301 (2013).
  46. V. Tomov, P. M. Rafailov, and L. Yankova, J. Phys.: Conf. Ser. 682, 012028 (2016).
  47. A. S. Davydov, Theory of Molecular Excitons, Plenum, New York (1971).
  48. S. Sahoo, P. Malavi, and S. Karmakar, Phys. Rev. B 107, 094411 (2023).
  49. K. Imasaka, R. V. Pisarev, L. N. Bezmaternykh, T. Shimura, A. M. Kalashnikova, and T. Satoh, Phys. Rev. B 98, 054303 (2018).
  50. Yong-Xin Yan, Edward B. Gamble, Jr., and Keith A. Nelson, J. Chem. Phys. 83, 5391 (1985).
  51. Г. А. Смоленский, Р. В. Писарев, И. Г. Синий, Усп. физ. наук 116, 231 (1975)
  52. G. A. Smolenskii, R. V. Pisarev, and I. G. Sinii, Usp. Fiz. Nauk 18, 410 (1975).
  53. J. Ferr'e and G. A. Gehring, Rep. Prog. Phys. 47, 513 (1984).
  54. U. Fano, Phys. Rev. 124, 1866 (1961).
  55. R. V. Pisarev, I. S¨anger, G. A. Petrakovskii, and M. Fiebig, Phys. Rev. Lett. 93, 037204 (2004).
  56. R. V. Pisarev, A. M. Kalashnikova, O. Sch¨ops, and L. N. Bezmaternykh, Phys. Rev. B 84, 075160 (2011).
  57. R. G. Burns, Mineralogical Applications of Crystal Field Theory, Cambridge, 2nd Edition (1993).
  58. Olev Sild, Kristjan Haller (Eds.), Zero-Phonon Lines: And Spectral Hole Burning in Spectroscopy and Photochemistry, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2011).
  59. D. S. McClure, Electronic Spectra of Molecules and Ions in Crystals, Part II, Solid State Phys. 9, 399-525, F. Seitz, D. Turnbull (Eds.), Academic Press Inc., New York.
  60. R. D. Mero, C.-H. Lai, C.-H. Du, and H.-L. Liu, J. Phys. Chem. C 125, 4322 (2021).
  61. S. Toyoda, N. Abe, and T. Arima, Phys. Rev. B 93, 201109(R) (2016).
  62. S. Toyoda, N. Abe, and T. Arima, Phys. Rev. Lett. 123, 077401 (2019).
  63. R. L. Greene, D. D. Sell, W. M. Yen, A. L. Schawlow, R. M. White, Phys. Rev. Lett. 15, 656 (1965).
  64. J. W. Allen, R. M. Macfarlane, and R. L. White, Phys. Rev. 179, 523 (1969).
  65. R. Loudon, Adv. Phys. 17, 243 (1968).
  66. V. V. Eremenko, E. G. Petrov, Adv. Phys. 26, 31 (1977).
  67. Y. Tanabe and K. Aoyagi, Excitons in Magnetic Insulators, Ch.14 in Excitons, Ed. by E. I. Rashba and M. D. Sturge, North-Holland Publishing Company (1982).
  68. B. Henderson and G. F. Imbusch, Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, Oxford University Press, New York, (1989).
  69. N. E. Kopteva, D. Kudlacik, D. R. Yakovlev, M. V. Eremin, A. R. Nurmukhametov, M. Bayer, and R. V. Pisarev, Phys. Rev. B 105, 024421 (2022).
  70. K. N. Boldyrev, R. V. Pisarev, L. N. Bezmaternykh, and M. N. Popova, Phys. Rev. Lett. 114, 247210 (2015).
  71. В. В. Меньшенин, ЖЭТФ 151, 326 (2017)
  72. V. V. Menshenin, J. Exp. Theor. Phys. 124, 279 (2017).
  73. J. Frenkel, Phys. Rev. 37, 17 (1931)
  74. Phys. Rev. 37, 1276 (1931).
  75. T. Maiman, Nature 187, 493 (1960).
  76. G. F. Imbusch, R. Kopelman, Optical Spectroscopy of Electronic Centers in Solids, pages 1-37 in Laser Spectroscopy of Solids, W. M. Yen, P. M. Selzer (Eds.).
  77. G. F. Imbusch, Luminescence from solids with high concentrations of transition metal ions, in Luminescence of Inorganic Solids, edited by D. Bartolo, V. Goldberg, and D. Pacheco (Springer, Boston, 1978), pp. 155-180.
  78. R. E. Dietz, A. Misetich, Optical Spectroscopy of Electronic Centers in Solids, pages 366-385 in Laser Spectroscopy of Solids, W. M. Yen, P. M. Selzer (Eds.).
  79. D. Kudlacik, V. Yu. Ivanov, D. R. Yakovlev, V. F. Sapega, J. J. Schindler, J. Debus, M. Bayer, and R. V. Pisarev, Phys. Rev. 102, 035128 (2020).
  80. D. Kudlacik, Absorption und Photoluminesczenspectroskopie an CuB2O4, Masterarbeit, Technische Universit¨at Dortmund (2013).
  81. J. Mund, D. R. Yakovlev, A. N. Poddubny, R. M. Dubrovin, M. Bayer, and R. V. Pisarev, Phys. Rev. B 103, L180410 (2021).
  82. Y. R. Shen, The Principles of Nonlinear Optics, Wiley Classics Library (2003).
  83. R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 3d edition, Academic Press (2020).
  84. M. Fiebig, D. Fr¨ohlich, Th. Lottermoser, V. V. Pavlov, R. V. Pisarev, and H.-J. Weber, Phys. Rev. Lett. 87, 137202 (2001).
  85. M. Fiebig, Th. Lottermoser, V. V. Pavlov and R. V. Pisarev, J. Appl. Phys. 93, 6900 (2003).
  86. M. Fiebig, D. Fr¨ohlich, Th. Lottermoser, V. V. Pavlov, R. V. Pisarev, and H.-J. Weber, J. Magn. Magn. Mat. 258-259, 110 (2003).
  87. M. Fiebig, R. V. Pisarev, J. Magn. Magn. Mat. 272-276, e1607 (2004).
  88. M. Fiebig, V. V. Pavlov, and R. V. Pisarev, J. Opt. Soc. Am. 22, 96 (2005).
  89. S. Toyoda, M. Fiebig, T.-H. Arima, Y. Tokura, and N. Ogawa, Sci. Adv. 7, sciadv.abe2793 (2021).
  90. V. M. Dubovik, V. V. Tugushev, Physics Reports 187, 145 (1990).
  91. S. Nanz, Toroidal Multipole Moments in Classical Electrodynamics, Springer Spektrum, Wiesbaden (2016).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».