Electric polarization reversal and nonlinear magnetoelectric coupling in the honeycomb antiferromagnet Fe4Nb2O9 single crystal

物理 凝聚态物理 电场 反铁磁性 极化密度 极化(电化学) 联轴节(管道) 多铁性 各向异性 磁性 磁场 铁电性 材料科学 磁化 电介质 量子力学 化学 物理化学 冶金
作者
J. H. Zhang,Yuying Tang,Lin Lin,L. Y. Li,G. Z. Zhou,Bo Yang,Lin Huang,Xinghao Li,G. Y. Li,Shuhan Zheng,Meifeng Liu,Min Zeng,Di Wu,Z. B. Yan,Xiaokun Huang,C. Chen,X. P. Jiang,Jun‐Ming Liu
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:107 (2) 被引量:8
标识
DOI:10.1103/physrevb.107.024108
摘要

As a new magnetoelectric material, honeycomb-based antiferromagnet ${\mathrm{Fe}}_{4}{\mathrm{Nb}}_{2}{\mathrm{O}}_{9}$ has attracted a great deal of attention due to its prominent magnetoelectric (ME) coupling and high N\'eel temperature, while the physics of magnetoelectricity is far from understood. In the present study, we present our systematic investigations of the anisotropic ME effect, electric polarization reversal, and nonlinear ME effect of ${\mathrm{Fe}}_{4}{\mathrm{Nb}}_{2}{\mathrm{O}}_{9}$ single crystals, thus highlighting the phase diagram extended down to 10 K. Our results provide clear evidence for electric polarization reversal driven by magnetic field ($H$) along the [110] and [1-10] directions, respectively, while no such polarization reversal occurs as $H$ is applied along the [001] direction. The nonlinear ME effects and electric control of magnetism are unambiguously demonstrated. In addition, the angular-dependent probing reveals a 2\ensuremath{\theta} rotation of the induced electric polarization around the $c$ axis upon the rotation of magnetic field by an angle \ensuremath{\theta}. The electric polarization responses and concomitant ME coupling are well explained by means of the metal-ligand hybridization $p\text{\ensuremath{-}}d$ mechanism. This work represents an essential step forward in the understanding of ME coupling not only in this ${A}_{4}{M}_{2}{\mathrm{O}}_{9}$ honeycomb magnet.
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