Competing magnetic states in multiferroic BaYFeO4: A high magnetic field study

凝聚态物理 多铁性 反铁磁性 材料科学 磁制冷 中子衍射 铁电性 结晶学 磁场 物理 磁化 晶体结构 量子力学 化学 光电子学 电介质
作者
Д. П. Козленко,N. T. Dang,Richa Pokharel Madhogaria,Lê Thị Phương Thảo,С. Е. Кичанов,N. Tran,Dinh Thanh Khan,Nguyen Truong Tho,The‐Long Phan,B.W. Lee,Б. Н. Савенко,A. V. Rutkauskas,L. H. Khiem,Nguyen Truong Tho,Tuan Anh Tran,Tomáš Kmječ,J. Kohout,V. Chlan,Manh‐Huong Phan
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:5 (4) 被引量:8
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.5.044407
摘要

Spin-driven ferroelectricity phenomena have drawn great interest in the scientific community due to potential application in spintronics and their complex physical mechanisms. A noticeable example of this is multiferroic BaYFeO<sub>4</sub> that exhibits an unconventional magnetoelectric (ME) coupling due to the uncorrelated behavior of the ferroelectric and cycloidal states under an applied magnetic field. To shed more light on this spin-driven ME effect, a high-quality sample of BaYFeO<sub>4</sub> was synthesized by a standard solid-state reaction method, and its high-field (up to 9 T) magnetic properties have been systematically investigated by means of magnetometry, magnetocaloric effect, and Mössbauer measurements over a wide temperature range (5–400 K). In addition, its crystal and magnetic structures have been studied using x-ray and neutron powder diffraction. Results obtained in this work indicate that Fe spins form a long-range spin density wave (SDW) antiferromagnetic (AFM) order at $T_{\\text{N1}}$ ~ 50K, which transforms into the cycloidal AFM order at $T_{\\text{N2}}$ ~ 35K. A spin-glass-like state emerges below $T^\\ast$ ~ 17K, and coexists with the long-range cycloidal AFM one in this temperature range. Magnetocaloric and Mössbauer measurements consistently confirm the robustness of both the long-range SDWand cycloidal AFM orders under applied magnetic fields up to 6 T, whereas the spin-glass state is converted into the ferromagnetic (FM) state when the applied magnetic field exceeds 1 T. These findings pinpoint the fact that the magnetic field evolution of spin correlations from the AFM to FM character in the spin-glass state is responsible for the magnetic field dependence of ferroelectricity in BaYFeO<sub>4</sub>.
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