Multiferoické materiály vykazují zároveň feroelektrické a magnetické uspořádání a v mnoha případech I silnou magnetoelektrickou vazbu. V takovém případě je možné měnit magnetizaci materiálu elektrickým polem a ovlivňovat elektrickou polarizaci polem magnetickým. Tyto jevy mohou mít velký význam pro magnetické paměti, protože řízení paměťových čipů elektrickým polem je technologicky snazší než ovládání paměti polem magnetickým. Magnetoelektrické paměti by mohly být velmi rychlé a nahradit tak současné hard-disky a paměti typu flash.
V mnoha multiferoických sloučeninách (tzv. multiferoika typu I) se magnetická struktura utváří nezávisle na feroelektrickém uspořádání; v tomto případě je magnetoeletrická vazba zpravidla slabá. Toto je případ např. nejvíce studovaného “vysokoteplotního” multiferoika BiFeO3, kde je lineární magnetoelektrická vazba zakázaná vlivem symetrie cykloidní antiferomagnetické struktury a tudíž pouze slabá vazba vyššího řádu může způsobovat magnetoelektrický jev.
V multiferoických sloučeninách typu II magneticky uspořádaná struktura přímo indukuje feroelektrickou polarizaci pomocí výměnné interakce nebo pomocí inverzní interakce Dzyaloshinski-Moriya. Výsledkem je fakt, že magnetoelektrická vazba může být velmi silná a umožnit např. otočení elektrické polarizace v magnetickém poli či dokonce přepínání magnetizace polem elektrickým. Tyto materiály však vykazují multiferoické uspořádání zpravidla pouze na nízkých teplotách (obvykle pod 100 K). Z tohoto důvodu vědecká komunita usilovně hledá a zkoumá nové multiferoické sloučeniny s magnetickými a feroelektrickými fázovými přechody nad pokojovou teplotou. My studujeme jak statickou magnetoelektrickou vazbu (tj. změnu feroelektrické polarizace magnetickým polem) tak i dynamickou magnetoelektrickou vazbu, která aktivuje tzv. elektromagnony v THz a infračervených spektrech.
Náš výzkum zaměřujeme zejména na
- Ferimagnetické materiály s hexaferitovou krystalovou strukturou (Y-, W- a Z-hexaferity). Tyto materiály vykazují spinově-indukovanou feroelektrickou polarizaci blízko pokojové teploty nebo dokonce nad ní. Jejich statická magnetoelektrická vazba je jedna z nejvyšších mezi multiferoiky a intenzivní elektromagnony svědčí i o silné dynamické magnetoelektrické vazbě. Elektromagnony studujeme převážně ve spolupráci s THz skupinou.
- Čtverné perovskity AMn7O12 (A=Ca, Sr, Cd, Pb, Bi). Tyto materiály vykazují bohatou sekvenci strukturních fázových přechodů, které jsou vyvolané nábojovým a orbitálním uspořádáním Mn kationtů i spinovým uspořádáním. Tyto přechody indukují dramatické teplotní změny fononových výběrových pravidel a též aktivují magnony a elektromagnony v magnetických fázích.
- Incipientní feroelektrikum EuTiO3 s antiferomagnetickou strukturou. Tento materiál má velmi silnou magnetoelektrickou vazbu vyššího řádu a ta je zodpovědná za silný magnetodielektrický jev v antiferomagnetické fázi. V minulosti jsme studovali původ incipientního feroelektrického chování, magnetoelektrickou vazbu i vliv magnetického pole na frekvenci měkkého fononu. Také jsme dokázali, že pnutí v epitaxních vrstvách může indukovat feroelektřinu a feromagnetismus. Nedávno jsme studovali zdánlivou anizotropii magnetoelektrické vazby a vysvětlili ji.
[1] S. Kamba et al., Infrared and THz studies of polar phonons and magnetodielectric effect in multiferroic BiFeO3 ceramics, Phys. Rev. B 75, 024403 (2007).
[2] J.H. Lee et al., A strong ferroelectric ferromagnet created via spin-lattice coupling, Nature 466, 954-959 (2010).
[3] K.Z. Rushchanskii et al. A multiferroic material to search for the permanent electric dipole moment of the electron, Nature Materials 9, 649-654 (2010).
[4] V.V. Shvartsman et al., Large off-diagonal magnetoelectric coupling in the quantum paraelectric antiferromagnet EuTiO3, Phys. Rev. B 81, 064426 (2010).
[5] V. Goian et al., Antiferrodistortive phase transition in EuTiO3, Phys. Rev. B 86, 054112 (2012).
[6] F. Kadlec et al., Electromagnon in the Z-type hexaferrite (BaxSr1-x)3Co2Fe24O41, Phys. Rev. B 94, 024419 (2016).
[7] S. Kamba et al., Unusual ferroelectric and magnetic phase transitions in multiferroic 2H-BaMnO3 ceramics, Phys. Rev. B 95, 174103 (2017).
[8] J. Vít et al., Electromagnon in Y-type hexaferrite BaSrCoZnFe11AlO22, Phys. Rev. B 97, 134406 (2018).
[9] S. Kamba et al., Changes in spin and lattice dynamics induced by magnetic and structural phase transitions in multiferroic SrMn7O12, Phys. Rev. B 99, 184108 (2019).
