Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов (Обзор)
Дан краткий обзор исследований сегнетомагнитных кристаллов за прошедшие 50 лет после их открытия Г.А. Смоленским с сотрудниками. В первые десятилетия активно велся синтез монокристаллов и твердых растворов сегнетомагнитных веществ и были получены первые свидетельства взаимодействия сегнетоэлектричес...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
2010
|
| Назва видання: | Физика низких температур |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/117025 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов (Обзор) / И.Е. Чупис // Физика низких температур. — 2010. — Т. 36, № 6. — С. 597-612. — Бібліогр.: 139 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-117025 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1170252017-05-20T03:02:50Z Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов (Обзор) Чупис, И.Е. Специальный выпуск "Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках" К 100-летию со дня рождения Г.А. Смоленского Под редакцией В.А. Бокова и И.Е. Чупис Дан краткий обзор исследований сегнетомагнитных кристаллов за прошедшие 50 лет после их открытия Г.А. Смоленским с сотрудниками. В первые десятилетия активно велся синтез монокристаллов и твердых растворов сегнетомагнитных веществ и были получены первые свидетельства взаимодействия сегнетоэлектрической и магнитной подсистем. Были открыты два первых колоссальных магнитоэлек-трических (МЭ) эффекта в никель-иодистом бораците. Теория качественно объясняла наблюдаемые и предсказывала новые МЭ явления. В дальнейшем класс сегнетомагнетиков расширился, появились соединения, в которых электрическая поляризация индуцировалась спиральной магнитной структурой. Совершенствовалась измерительная техника. Открытие нового оптического метода генерации второй гармоники в конце ХХ столетия подготовило новый ренессанс в МЭ исследованиях. В настоящее время открыт целый ряд новых колоссальных МЭ эффектов, свидетельствующих о реализации перекрестного МЭ контроля электрических (магнитных) свойств кристалла магнитным (электрическим) полем. Дается характеристика обнаруженных в последние годы наиболее значительных МЭ эффектов. Отмечается перспективность сегнетомагнетиков с электрической поляризацией электронной природы (соединения со смешанной валентностью, полупроводники). Дано стислий огляд вивчення сегнетомагнітних кристалів за 50 років після їх відкриття Г.А. Смоленським із співробітниками. У перші десятиліття активно синтезувалися монокристали та тверді розчини сегнетомагнітних речовин та було одержано перші свідоцтва взаємодії сегнетоелектричної та магнітної підсистем. Було відкрито перші два колосальні магнітоелектричні (МЕ) ефекти у нікель-іодистому борациті. Теорія якісно пояснювала спостережені МЕ явища та передвіщала нові. Надалі клас сегнетомагнетиків поширився, з’явилися сполуки, у яких спіральна магнітна структура індукувала електричну поляризацію. Вимірювальна техніка удосконалювалась. Відкриття нового оптичного методу генерації другої гармоніки при кінці ХХ століття підготувало наступ нового ренесансу у МЕ дослідженнях. У теперішній час відкрито ряд нових колосальних МЕ ефектів, які свідчать про реалізацію перехресного МЕ контролю електричних (магнітних) властивостей кристалу магнітним (електричним) полем. Дається характеристика найбільш значним МЕ явищам, які спостерігаються в останні роки. Відмічається перспективність сегнетомагнетиків з електричною поляризацією електронного походження (сполуки із змішаною валентністю, напівпровідники). The investigations of ferroelectromagnets for the last 50 years after their discovery by G.A. Smolenskii with collaborators are reviewed. Firstly the monocrystals and the solid solutions were synthesized and the evidence for the interaction of ferroelectric and magnetic subsystems was revealed. The first two colossal magnetoelectric (ME) effects in nickel-iodine boracite were observed. The theoretic investigations explained qualitatively the observed ME effects and predicted new ones. Further the crystals with electric polarization induced by a spiral magnetic structure were discovered. The techniques of scientific measurements was improved. The discovery of a new optical method of the second harmonic generation in the end of the XX century paved the way for new renascence in ME researches. At present some new colossal ME effects were discovered which showed the reality of the mutual control of electric (magnetic) properties by magnetic (electric) field in crystal. The most significant ME effects observed in the last few years are reviewed. The ferroelectromagnets with electric polarization of an electron nature (compounds with mixed valency, semiconductors) are seemed to be most promissing for the future ME searching. 2010 Article Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов (Обзор) / И.Е. Чупис // Физика низких температур. — 2010. — Т. 36, № 6. — С. 597-612. — Бібліогр.: 139 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 75.80. +q, 78.20. Ls http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/117025 ru Физика низких температур Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Специальный выпуск "Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках" К 100-летию со дня рождения Г.А. Смоленского Под редакцией В.А. Бокова и И.Е. Чупис Специальный выпуск "Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках" К 100-летию со дня рождения Г.А. Смоленского Под редакцией В.А. Бокова и И.Е. Чупис |
| spellingShingle |
Специальный выпуск "Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках" К 100-летию со дня рождения Г.А. Смоленского Под редакцией В.А. Бокова и И.Е. Чупис Специальный выпуск "Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках" К 100-летию со дня рождения Г.А. Смоленского Под редакцией В.А. Бокова и И.Е. Чупис Чупис, И.Е. Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов (Обзор) Физика низких температур |
| description |
Дан краткий обзор исследований сегнетомагнитных кристаллов за прошедшие 50 лет после их открытия Г.А. Смоленским с сотрудниками. В первые десятилетия активно велся синтез монокристаллов и твердых растворов сегнетомагнитных веществ и были получены первые свидетельства взаимодействия сегнетоэлектрической и магнитной подсистем. Были открыты два первых колоссальных магнитоэлек-трических (МЭ) эффекта в никель-иодистом бораците. Теория качественно объясняла наблюдаемые и предсказывала новые МЭ явления. В дальнейшем класс сегнетомагнетиков расширился, появились соединения, в которых электрическая поляризация индуцировалась спиральной магнитной структурой. Совершенствовалась измерительная техника. Открытие нового оптического метода генерации второй гармоники в конце ХХ столетия подготовило новый ренессанс в МЭ исследованиях. В настоящее время открыт целый ряд новых колоссальных МЭ эффектов, свидетельствующих о реализации перекрестного МЭ контроля электрических (магнитных) свойств кристалла магнитным (электрическим) полем. Дается характеристика обнаруженных в последние годы наиболее значительных МЭ эффектов. Отмечается перспективность сегнетомагнетиков с электрической поляризацией электронной природы (соединения со смешанной валентностью, полупроводники). |
| format |
Article |
| author |
Чупис, И.Е. |
| author_facet |
Чупис, И.Е. |
| author_sort |
Чупис, И.Е. |
| title |
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов (Обзор) |
| title_short |
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов (Обзор) |
| title_full |
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов (Обзор) |
| title_fullStr |
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов (Обзор) |
| title_full_unstemmed |
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов (Обзор) |
| title_sort |
прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов (обзор) |
| publisher |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Специальный выпуск "Магнитоэлектрические эффекты в сегнетомагнетиках" К 100-летию со дня рождения Г.А. Смоленского Под редакцией В.А. Бокова и И.Е. Чупис |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/117025 |
| citation_txt |
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов (Обзор) / И.Е. Чупис // Физика низких температур. — 2010. — Т. 36, № 6. — С. 597-612. — Бібліогр.: 139 назв. — рос. |
| series |
Физика низких температур |
| work_keys_str_mv |
AT čupisie progressvizučeniisegnetomagnitnyhkristallovobzor |
| first_indexed |
2025-07-08T11:30:51Z |
| last_indexed |
2025-07-08T11:30:51Z |
| _version_ |
1837078154158538752 |
| fulltext |
© И.Е. Чупис, 2010
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6, c. 597–612
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов
(Обзор)
И.Е. Чупис
Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины
пр. Ленина, 47, г. Харьков, 61103, Украина
E-mail: chupis@ilt.kharkov.ua
Статья поступила в редакцию 16 ноября 2009 г.
Дан краткий обзор исследований сегнетомагнитных кристаллов за прошедшие 50 лет после их откры-
тия Г.А. Смоленским с сотрудниками. В первые десятилетия активно велся синтез монокристаллов и
твердых растворов сегнетомагнитных веществ и были получены первые свидетельства взаимодействия
сегнетоэлектрической и магнитной подсистем. Были открыты два первых колоссальных магнитоэлек-
трических (МЭ) эффекта в никель-иодистом бораците. Теория качественно объясняла наблюдаемые и
предсказывала новые МЭ явления. В дальнейшем класс сегнетомагнетиков расширился, появились со-
единения, в которых электрическая поляризация индуцировалась спиральной магнитной структурой. Со-
вершенствовалась измерительная техника. Открытие нового оптического метода генерации второй гар-
моники в конце ХХ столетия подготовило новый ренессанс в МЭ исследованиях. В настоящее время от-
крыт целый ряд новых колоссальных МЭ эффектов, свидетельствующих о реализации перекрестного МЭ
контроля электрических (магнитных) свойств кристалла магнитным (электрическим) полем. Дается ха-
рактеристика обнаруженных в последние годы наиболее значительных МЭ эффектов. Отмечается пер-
спективность сегнетомагнетиков с электрической поляризацией электронной природы (соединения со
смешанной валентностью, полупроводники).
Дано стислий огляд вивчення сегнетомагнітних кристалів за 50 років після їх відкриття Г.А. Смолен-
ським із співробітниками. У перші десятиліття активно синтезувалися монокристали та тверді розчини
сегнетомагнітних речовин та було одержано перші свідоцтва взаємодії сегнетоелектричної та магнітної
підсистем. Було відкрито перші два колосальні магнітоелектричні (МЕ) ефекти у нікель-іодистому бора-
циті. Теорія якісно пояснювала спостережені МЕ явища та передвіщала нові. Надалі клас сегнетомагне-
тиків поширився, з’явилися сполуки, у яких спіральна магнітна структура індукувала електричну поля-
ризацію. Вимірювальна техніка удосконалювалась. Відкриття нового оптичного методу генерації другої
гармоніки при кінці ХХ століття підготувало наступ нового ренесансу у МЕ дослідженнях. У теперішній
час відкрито ряд нових колосальних МЕ ефектів, які свідчать про реалізацію перехресного МЕ контролю
електричних (магнітних) властивостей кристалу магнітним (електричним) полем. Дається характеристи-
ка найбільш значним МЕ явищам, які спостерігаються в останні роки. Відмічається перспективність сег-
нетомагнетиків з електричною поляризацією електронного походження (сполуки із змішаною валентніс-
тю, напівпровідники).
PACS: 75.80. +q Магнитомеханические и магнитоэлектрические эффекты, магнитострикция;
78.20. Ls Магнитооптические явления.
Ключевые слова: сегнетомагнетики, магнитоэлектрические эффекты, электрическая поляризация, маг-
нитный момент, модулированные (спиральные) структуры.
Содержание
Введение ................................................................................................................................................. 598
1. Главные результаты, полученные в ХХ столетии ........................................................................... 598
1.1. Исследования 60–80-х годов ..................................................................................................... 598
1.2. Исследования последних десятилетий ХХ века ...................................................................... 600
2. Исследования сегнетомагнетиков после 2000 г. ............................................................................. 602
И.Е. Чупис
598 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6
2.1. Сегнетомагнетики с несобственным СЭ упорядочением магнитной природы .................... 602
2.1.1. Индуцирование сегнетоэлектричества в спиральных магнетиках .............................. 602
2.1.2. Сегнетоэлектричество, индуцированное коллинеарной магнитной структурой ....... 606
2.2. Сегнетомагнетики с собственными СЭ и магнитным упорядочениями ................................ 606
Заключение ............................................................................................................................................. 608
Литература .............................................................................................................................................. 609
Введение
Возможность существования соединений с одно-
временным упорядочением электрических диполей и
магнитных моментов (сегнетомагнетиков) была пред-
сказана в 1958 г. Г.А. Смоленским и В.А. Иоффе в со-
единениях со структурой перовскита 3ABO [1]. Сегне-
тоэлектрическому (СЭ) упорядочению при этом благо-
приятствует наличие в подрешетке А ионов с неподе-
ленной парой 6s-электронов, а в подрешетке В — ио-
нов переходных элементов с оболочкой благородного
газа после удаления s- и d-электронов. Поэтому для
удовлетворения условий, необходимых для возникно-
вения СЭ и магнетизма, в октаэдрические позиции бы-
ли введены ионы, одни из которых были сегнетоактив-
ными, а другие — магнитными. Таким образом,
в 1961 г. были получены первые сегнетомагнетики,
сочетающие СЭ свойства с антиферромагнитными
(АФ), в виде поликристаллических твердых растворов
2/3 1/3 3 1/2 1/2 3(1 )Pb(Fe W )O Pb(Mg W )Ox x− − [2], а затем
и монокристаллические СЭ–АФ 1/2 1/2 3Pb(Fe Nb )O [3]
и 3BiFeO [4–7]. Позже присутствие СЭ и AФ упорядо-
чений было открыто в гексагональных манганитах
(Bertaut et al. [8], 1963). Сосуществование сегнетоэлек-
тричества и антиферромагнетизма со слабым ферро-
магнитным моментом (СФМ) было обнаружено в се-
мействе борацитов (Schmid et al. [9], 1966). В после-
дующие два десятилетия было открыто около 50 сегне-
томагнитных соединений и несколько десятков твер-
дых растворов. Кроме соединений типа перовскита,
гексагональных манганитов, борацитов, редкоземель-
ных молибдатов, орторомбических 4BaMF (M — ион
металла), сегнетомагнитное упорядочение показали
феррит 3 4Fe O , псевдоильменит 1/2 1/2 2Li(Fe Ta )O F и
АФ со спиральной магнитной структурой 2 4Cr BeO . В
обзорах [10,11] приведены таблицы известных к тому
времени сегнетомагнетиков и наблюдаемых (а также
предсказанных) в них эффектах, обусловленных взаи-
модействием электрической и магнитной подсистем,
которое далее именуется магнитоэлектрическим (МЭ).
В настоящем обзоре будут кратко освещены только
главные результаты исследований сегнетомагнитных
кристаллов за пятидесятилетний период после их по-
явления. Не рассматриваются различные многофазные
сегнетомагнитные структуры (слоистые системы, ком-
позиты и т.п.), обзор свойств которых можно найти,
например, в работах [12,13]. Не затрагивается также
вопрос о возможности проявления тороидного момен-
та в некоторых сегнетомагнетиках. Тороидный момент
— более слабый (по сравнению с электрическим и
магнитным) мультипольный момент, являющийся па-
раметром порядка в так называемых тороиках, где
электрический и магнитный моменты отсутствуют.
1. Главные результаты, полученные в ХХ столетии
1.1. Исследования 60–80-х годов
В это время возрождается интерес к статическим
МЭ явлениям, о возможности которых писал еще Кю-
ри. Ландау и Лифшиц [14] предсказывали возможность
существования в магнитных кристаллах равновесной
электрической поляризации, пропорциональной маг-
нитному полю ( )P H∝ , и намагниченности, пропор-
циональной напряженности электрического поля
( )M E∝ (линейный МЭ эффект (ЛМЭЭ)). Этот эф-
фект2 был подробно рассмотрен Дзялошинским [15] и
вскоре экспериментально обнаружен Астровым в АФ
2 3Cr O [16]. Сегнетомагнетики не обязательно обла-
дают ЛМЭЭ. Их особенностью является наличие наря-
ду с МЭ эффектами, индуцированными внешними по-
лями, спонтанных МЭ эффектов, обусловленных взаи-
модействием сильных внутренних электрического и
магнитного полей. Эти спонтанные эффекты проявля-
ются при электрических и магнитных фазовых перехо-
дах и могут быть сильными. МЭ эффекты принято ха-
рактеризовать тензором МЭ восприимчивости EM
ikχ =
( / ) ( / )ME
ki i k k iP H M E= χ = ∂ ∂ = ∂ ∂ . Диэлектрическая ,Eχ
магнитная Mχ и МЭ восприимчивости связаны усло-
вием [17]
2( ) .ME E Mχ < χ χ (1.1)
Из соотношения (1.1) следует, что наибольшая вели-
чина МЭ эффектов ожидается в соединениях с боль-
шими восприимчивостями, т.е. в сегнетомагнетиках. И
действительно, как будет видно далее, открытые позже
колоссальные МЭ эффекты наблюдались именно в
сегнетомагнитных соединениях.
После открытия первых сегнетомагнетиков нача-
лись активные теоретические исследования этого но-
вого класса кристаллов и экспериментальные поиски и
синтез новых сегнетомагнитных веществ. Далее дают-
ся конкретные ссылки лишь на работы, не содержа-
щиеся в обзорах [10,11].
Прежде всего была проведена симметрийная клас-
сификация кристаллов, в которых разрешены различ-
ные взаимные ориентации электрической поляризации
и магнитного момента (Копцик, Белов, Шувалов, Не-
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 599
ронова, Любимов, Ковалев, 1959–1973) и рассмотрены
случаи кристаллической симметрии, разрешающие
линейные по P обменные инварианты в энергии (Нед-
лин, 1965).
Феноменологический анализ фазовых переходов в
рамках теории Ландау предсказал эффекты первого
(излом) и второго (скачок) порядка по МЭ взаимодей-
ствию в температурной зависимости диэлектрической
(магнитной) восприимчивости при магнитном (СЭ)
переходе (Смоленский, Недлин, Мицек, 1962). Излом в
температурной зависимости диэлектрической постоян-
ной при температуре магнитного перехода был обна-
ружен в одном из первых сегнетомагнетиков 3BiFeO
(Крайник и др., Рогинская и др., 1966), в Cu–I и Cu–Br
борацитах (Дрождин и др. 1975), в 4BaMnF (Samara et
al., 1976). Обменная природа этой аномалии (Чупис,
1980) была подтверждена дальнейшими эксперимен-
тами (Кижаев, Писарев [18] ).
Первый колоссальный МЭ эффект был обнаружен в
сегнетомагнетике со слабым ферромагнетизмом Ni–I
бораците ( 3 7 13Ni B O I ) (Asher et al., 1966). Эксперимент
показал сильную взаимосвязь направлений электриче-
ской поляризации и намагниченности: вращение P на
180°сопровождалось вращением sM на 90° (и обрат-
но). Это явление получило объяснение как с термоди-
намической (Гуфан, 1968), так и с симметрийной точки
зрения (Ковалев ,1972).
Второй колоссальный МЭ эффект также наблю-
дался в Ni–I бораците (Батуров и др., 1978). Была об-
наружена сильная зависимость диэлектрической вос-
приимчивости от величины и направления магнитного
поля. При повороте магнитного поля 12,5H = кЭ на
90° диэлектрическая постоянная изменялась на 30% по
сравнению с ее значением при 0H = . Наблюдение
сильных МЭ эффектов именно в Ni–I бораците связа-
но с несобственным СЭ упорядочением в этом соеди-
нении. Электрическая поляризация в нем возникает в
результате магнитного перехода, и ее величина мала
(она на два–три порядка меньше, чем в классическом
СЭ 3BaTiO ). Изменения, производимые не столь
большими магнитными полями в спиновой подсисте-
ме, породившей электрическую поляризацию, будут
заметно сказываться на последней.
Феноменологическая теория предсказывала, что
взаимодействие электрической и магнитной подсистем
в сегнетомагнетике может изменить род фазового пе-
рехода, индуцировать появление новых спонтанных и
полевых СЭ и магнитных переходов (метамагнитного
перехода в АФ, ориентационного магнитного перехода
легкая ось–легкая плоскость, отключения (включения)
электрической поляризации магнитным полем и т.д.)
(Чупис, 1975–1982). Было предсказано существование
в сегнетомагнетиках новых элементарных гибридных
возбуждений — сегнетомагнонов, чувствительных как
к электрическому, так и к магнитному полю (Барьях-
тар, Чупис, 1969). Изучались возможности перекрест-
ного резонансного и параметрического возбуждений
спиновых волн (электрической поляризации) перемен-
ным электрическим (магнитным) полем (Чупис, Барь-
яхтар, А.И. Ахиезер, И.А. Ахиезер, Давыдов, Ники-
тов). Рамки настоящего краткого обзора не позволяют
более подробно остановиться на упомянутых работах,
ссылки на которые можно найти в обзорах тех лет
[10,11].
Первое наблюдение МЭ эффекта в оптических яв-
лениях было в 4BaCoF (Попков и др., 1975). В этом
сегнетомагнетике в температурной зависимости опти-
ческого спектра наблюдался излом при температуре
Нееля [19].
Равновесное распределение спинов и электрических
диполей в одном домене предполагалось однородным.
Только в конце рассматриваемого временного периода
появились сообщения о циклоидной спиновой струк-
туре в СЭ–АФ 3BiFeO (Sosnowska et al., 1982) и на-
блюдении спонтанной электрической поляризации в
центросимметричном кристалле с винтовой магнитной
структурой 2 4Cr BeO (Newnham et al., 1978). Сущест-
вование электрической поляризации в кристалле с цен-
тром симметрии вызывало недоумение. Объяснение
этому факту было предложено в обзоре (Смоленский,
Чупис, 1982 [10]) указанием в МЭ энергии центросим-
метричного кристалла возможного неоднородного сла-
гаемого вида [10]
( / )l l
i s s kPM M x′
′∂ ∂ , (1.2)
где , , ,i k l l ′ обозначают проекции, а ,s s′ — номера
магнитных подрешеток.
МЭ энергия типа (1.2) была позже названа неодно-
родной МЭ энергией и использовалась для описания
МЭ эффектов в магнитных доменных стенках и де-
тального анализа СЭ в 2 4Cr BeO (Барьяхтар и др.,
1983). Таким образом, 2 4Cr BeO — первый сегнето-
магнетик, в котором обнаружено индуцирование сег-
нетоэлектричества спиральной магнитной структурой.
Прошедшие два десятилетия после открытия сегне-
томагнитных кристаллов были периодом их активного
теоретического и экспериментального изучения. Экс-
периментальные исследования хотя и были не столь
многочисленны, как теоретические, но уже свидетель-
ствовали о МЭ связи СЭ и магнетизма, а в Ni–I бора-
ците эта связь была демонстративно сильной, там на-
блюдались МЭ эффекты, которые сейчас называют
колоссальными. Теоретические исследования природы
МЭ взаимодействий и возможных МЭ эффектов носи-
ли в основном качественный характер. Зависимость
МЭ восприимчивости от ориентации моментов в до-
менах создавала возможность МЭ контроля над спино-
выми и СЭ состояниями. Исследования температурных
и полевых зависимостей МЭ восприимчивости могли
И.Е. Чупис
600 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6
дать информацию об ориентационных (спин–флоп,
спин–флип) и температурных фазовых переходах. Из
температурной зависимости диэлектрической (магнит-
ной) восприимчивости мог быть определен магнитный
(СЭ) критический индекс. Виделись и другие перспек-
тивы научных и практических применений сегнето-
магнетиков [10]. Подробное описание возможных при-
боров (модуляторов, вентилей, фазовращателей, пере-
ключателей и т.д.) в широком спектральном диапазоне
от акустических до оптических частот дано в обзоре
Wood, Austin (1974). В 1973 г. прошла первая между-
народная конференция, посвященная МЭ явлениям в
кристаллах (MEIPIC-1, [20]).
1.2. Исследования последних десятилетий ХХ века
В этот период изучались главным образом МЭ эф-
фекты в соединениях, где температуры СЭ перехода
cT и магнитного упорядочения mT были не близкими.
Регистрируемые эффекты были слабыми, колоссаль-
ные (в современной терминологии) МЭ эффекты не
наблюдались. Синтезировались новые соединения,
углублялось понимание природы МЭ взаимодействий,
развивалась измерительная техника. Но и в это время
были получены выдающиеся результаты, без которых
было бы невозможно открытие новых колоссальных
МЭ эффектов, сделавших сегнетомагнетики чрезвы-
чайно популярными в физике XXI века.
Перспективы использования сегнетомагнетиков в
науке и технике были увлекательными, но для этого
требовались кристаллы с низкой электропроводно-
стью, низкими потерями, значительными магнитным
моментом и МЭ восприимчивостью, с достаточно вы-
сокими температурами СЭ и магнитного упорядочений
(выше комнатной). Сегнетомагнетиков, удовлетворяю-
щих всем этим требованиям, в то время не было. Боль-
шинство известных сегнетомагнетиков были антифер-
ромагнетиками, магнитная восприимчивость которых
значительно меньше, чем у ферромагнетиков (ФМ) и
ферримагнетиков (ФИМ). Поэтому важным результа-
том было подтверждение СЭ свойств феррита 3 4Fe O
наблюдением СЭ петли и значительной спонтанной
поляризации 2~ 1мкКл·смsP − [21], всего лишь на по-
рядок меньшей, чем у 3BaTiO . Обещающим был так-
же синтез твердого раствора шпинели 1,75 1,25 4Co Mn O
с СЭ и ФИМ упорядочениями [22]. Большой удачей
было открытие СЭ–ФИМ 2 4LuFe O с высокими темпе-
ратурами упорядочения ( 320cT = К, 220mT = К) [23].
Выдающимся экспериментальным результатом бы-
ло обнаружение одновременного появления СЭ и маг-
нитного упорядочений в манганате 2 5EuMn O (Санина
и др., 1988) [24]. Этот эффект был объяснен возможной
неоднородностью магнитной структуры в этом соедине-
нии. Так был открыт первый сегнетомагнетик 2 5EuMn O
с несобственным СЭ упорядочением в семействе ред-
коземельных манганатов 2 5RMn O (R = Nd–Lu, Y или
Bi), которые обладают модулированной магнитной
структурой. Началось систематическое изучение МЭ
свойств этого семейства (Kohn et al. [25,26] и ссылки в
этих работах). Спонтанная поляризация в этих соеди-
нениях мала, меньше чем в Ni–I бораците. Однако в
дальнейшем в этом семействе будет открыт колоссаль-
ный МЭ эффект.
Продолжались исследования линейных и нели-
нейных МЭ эффектов в магнитных полях. В сильных
магнитных полях порядка обменных в 3BiFeO и
2 5EuMn O обнаружен переход из модулированной в
однородную магнитную структуру [27,28].
Изучение магнитной структуры сегнетомагнетиков
с использованием МЭ восприимчивости требует учета
существующей в нем доменной структуры. МЭ взаи-
модействие может приводить к связанным состояниям
СЭ и АФ доменных стенок [29] и к возможности воз-
буждения спиновых волн осцилляциями СЭ доменной
стенки, поскольку эти частоты лежат в одном СВЧ
диапазоне [30].
Доменная структура присуща кристаллам со спон-
танным упорядочением электрической поляризации,
магнитного момента, деформации, тороидного момен-
та. Такие кристаллы носят название «ферроики» (Aizu,
1970) [31]. После открытия сегнетомагнетиков стало
ясно, что в кристаллах могут сосуществовать одновре-
менно две (или более) упорядоченные подсистемы.
Такие кристаллы были названы мультиферроиками
(Schmid, 1993 [32]). Доменные аспекты, структурные и
симметрийные требования для сосуществования СЭ,
ФМ и ферроэластичности в кристаллах сформулирова-
ны в работах [32,33].
В последнее время термин «мультиферроик» («mul-
tiferroic») употребляется и для обозначения сегне-
томагнетика («ferroelectromagnet»). Переобозначение
«ferroelectromagnet» на «multiferroic» представляется
неудачным, поскольку последний термин малоинфор-
мативен. Он требует уточнения, какие именно подсис-
темы упорядочены. К тому же практически во всех
работах, использующих термин «мультиферроик»,
речь идет именно о сегнетомагнетике.
Оптические методы исследования отличаются наи-
большей чувствительностью и точностью. Измерение
двулучепреломления дало возможность определить
температуру Нееля в 3BiFeO [34]. Впервые методом
оптической накачки удалось получить сегнетомагнит-
ное состояние в АФ 3EuCrO [35]: оптическая накачка
изменила состояние редкоземельного иона европия, в
результате чего возникло однородное упорядочение
спинов европия и электрических диполей.
В конце XX столетия в оптических МЭ измерениях
произошел значительный прорыв вследствие исполь-
зования лазеров и методов нелинейной спектроскопии.
Эти методы оказались очень эффективными для иссле-
дования сложной неколлинеарной спиновой структуры
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 601
в магнетиках (Pisarev et al., 1997, [36]). Обычно ис-
пользуемые дифракционные и нейтронные методы не
могут дать полную и достоверную картину простран-
ственного распределения спинов вследствие различ-
ных технических ограничений (например, для нейтро-
нографии требуются большие кристаллы и однодомен-
ное магнитное состояние). Новый нелинейный оптиче-
ский метод лишен этих недостатков. Он использует
измерения второй оптической гармоники (2 )iP ω в
электрическом поле электромагнитной волны (E ω ):
( ) ( )(2 ) ( ) ( ) ( )i c
i j kijk ijkP E Eω = χ + χ ω ω , (1.3)
где ( )i
ijkχ и ( )c
ijkχ — компоненты соответственно кри-
сталлографического и магнитного тензоров восприим-
чивости; ( )i
ijkχ
— инвариантный относительно инверсии
времени полярный ( i -типа) тензор 3-го ранга, разре-
шенный только в нецентросимметричных средах; ( )c
ijkχ
— меняющий знак при инверсии времени тензор, зави-
сящий от симметрии расположения спинов в равновес-
ном состоянии (магнитной симметрии). Отличные от
нуля компоненты тензоров ( )c
ijkχ и ( )i
ijkχ определяются
пространственными группами кристаллографической и
магнитной симметрий соответственно [37]. Интенсив-
ность сигнала второй гармоники 2(2 ) (2 )iI Pω ∝ ω за-
висит от магнитной симметрии посредством тензора
( )c
ijkχ в (1.3). Таким образом, появляется возможность
различать магнитные состояния. Этим новым оптичес-
ким методом была изучена неколлинеарная магнитная
структура гексагональных манганитов 3RMnO (R =
= Sc, Y, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) [38]. В результате исполь-
зования новой нелинейной оптической методики в
дальнейшем будут открыты новые колоссальные МЭ
эффекты.
Теоретические работы рассматриваемого периода
анализировали имеющиеся экспериментальные на-
блюдения МЭ эффектов и их природу. Было дано фе-
номенологическое описание магнитных и СЭ свойств
Ni–I борацита и указана обменная природа линейного
МЭ эффекта в этом соединении [39,40]. Разная темпе-
ратурная зависимость компонент МЭ восприимчиво-
сти линейного эффекта 23α и 32α у Ni–Cl , Ni–Br бо-
рацитов вблизи температуры Нееля (пик у 32α ) была
объяснена вкладом АФ вектора в линейный МЭ эф-
фект [41].
Феноменологический анализ гексагональных пе-
ровскитов с треугольной АФ структурой 3RMnO пока-
зал наличие в энергии обменного МЭ слагаемого вида
1 2( )ME
x yF E E∝ +C B B
( ,C B — векторы антифер-
ромагнетизма, E — электрическое поле). Эта МЭ
энергия разрешает линейный МЭ и пьезомагнитный
эффекты [42], а также прямое (одномагнонное) погло-
щение электромагнитного поля обменной спиновой
ветвью [43].
Обычно предполагалась спиновая природа маг-
нитного момента ввиду того, что орбитальный момент
d-электронов «заморожен». Однако многие сегнето-
магнетики содержат редкоземельные ионы, орбиталь-
ные моменты которых дают значительный вклад в пол-
ный магнитный момент и тем самым увеличивают МЭ
восприимчивость. Так, в СЭ–АФ 2 4 3Tb (MoO ) наблю-
дался МЭ отклик, на два порядка превышающий по-
добный эффект в сегнетомагнетике с нулевым орби-
тальным моментом [44]. Кроме увеличения МЭ откли-
ка, присутствие орбитального момента изменяет харак-
тер элементарных возбуждений, приводит к прецессии
электрической поляризации и осцилляции магнитного
момента [45].
3BiMnO — единственный известный в то время
однофазный сегнетомагнетик с ферромагнитным упо-
рядочением (см. таблицу в обзоре [10]). Было высказа-
но предположение [46], что ФМ в этом соединении
возникает в результате упорядочения орбитальных
2zd и 2 2x yd − моментов ионов Mn. Зонные расчеты в
приближении локальной спиновой плотности (LSDA)
показали важность ковалентной связи Bi–O в стабили-
зации магнитной и СЭ фаз в 3BiMnO [47,48]. В даль-
нейшем метод LSDA будет часто использоваться в
расчетах энергетических зон сегнетомагнетиков.
Растет интерес к выяснению роли электронов в
электрической поляризуемости. СЭ в классической
теории являются диэлектриками. СЭ переход считается
частным случаем структурного фазового перехода,
сопровождаемого возникновением электрической по-
ляризации. Последняя состоит из электронной и ион-
ной частей. Ионная составляющая есть результат де-
формации решетки, меняющей межионные расстояния,
а электронная – результат деформации электронных
оболочек. В перовскитах электронная составляющая
поляризации весьма существенна. Она больше в со-
единениях с ковалентной связью, где электроны за
счет гибридизации получают дополнительные степени
свободы по сравнению с ионными кристаллами. Так,
в 3BaTiO связь Ba–O носит ионный характер, а в
3PbTiO существует гибридизация Pb 6 -s и O 2 -p
электронов. В результате поляризуемость 3PbTiO зна-
чительно больше, чем 3BaTiO . Ожидается значитель-
ное участие электронов в электрической поляризации
при фазовых переходах металл–диэлектрик и в систе-
мах со смешанной валентностью.
В орторомбических перовскитах со смешанной ва-
лентностью 3RNiO (никелатах) началось изучение
магнитной структуры. Вблизи температуры перехода
металл–диэлектрик в 3YNiO обнаружено изменение
кристаллической симметрии. СЭ свойства в никелатах
будут установлены позже.
Продолжается синтез сегнетомагнитных соедине-
ний, преимущественно перовскитного типа [49]. В от-
личие от первоначальной методики внедрения магнит-
И.Е. Чупис
602 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6
ных ионов в СЭ матрицу теперь используется и метод
введения СЭ ионов в магнитный материал [50]. В ка-
честве магнитной матрицы используются ферриты-
шпинели с большой намагниченностью, низкой прово-
димостью, высокими температурами ФМ перехода и
малыми диэлектрическими потерями. Введение СЭ
ионов в такую матрицу может увеличить значение ди-
электрической постоянной до 4~ 10ε .
Многие результаты МЭ исследований этого перио-
да были представлены на международных конферен-
циях по МЭ явлениям в кристаллах: MEIPIC-2, 1993,
Ascona (Швейцария) [51] и MEIPIC-3, 1997, В. Новго-
род (Россия) [52].
Подведя итоги этому периоду, можно сказать, что,
несмотря на отсутствие колоссальных МЭ эффектов в
результатах исследований, прогресс в изучении МЭ
явлений привел к открытию новых сегнетомагнитных
соединений и новых перспективных методов их иссле-
дования. Обнаружение несобственного СЭ в редкозе-
мельном манганате 2 5EuMn O [35] и создание нового
оптического метода изучения магнитной структуры
[36] подготовили открытие в XXI веке новых колос-
сальных МЭ эффектов, сделавших реальной перспек-
тиву использования сегнетомагнетиков в современной
технике.
2. Исследования сегнетомагнетиков после 2000 г.
Температура СЭ (или антисегнетоэлектрического,
АСЭ) перехода cT в сегнетомагнетике чаще всего уда-
лена от температуры магнитного упорядочения mT ,
т.е. СЭ и магнитный переходы являются собствен-
ными. В сегнетомагнетиках с c mT T≠ формируются
взаимодействующие СЭ и магнитная доменные струк-
туры, связь которых пропорциональна величинам по-
ляризации и магнитного момента, т.е. в сегнетомаг-
нитном состоянии эта связь может быть не малой. Она
может проявиться при изменении магнитного или СЭ
состояний, например при ориентационных или темпе-
ратурных фазовых переходах. Благодаря новому нели-
нейному оптическому методу [36] удалось обнаружить
взаимосвязь СЭ и АФ доменных структур в сегнето-
магнетике 3YMnO (Fiebig et al., 2002) [53]. Это было
первое обнаружение колоссального МЭ эффекта в сег-
нетомагнетике с собственными СЭ и магнитным упо-
рядочениями. Затем последовало открытие колоссаль-
ного МЭ эффекта в орторомбическом 3TbMnO с не-
собственным СЭ упорядочением, где электрическая
поляризация возникала в результате магнитного фазо-
вого перехода в модулированной магнитной структуре
(Kimura et al., 2003) [54].
В последние годы резко возрос интерес к сегнето-
магнитным соединениям, число публикаций по этой
тематике чрезвычайно возросло, открыты новые силь-
ные МЭ эффекты. Поэтому ниже будет дан краткий
обзор только тех результатов, которые представляются
на данный момент наиболее важными.
2.1. Сегнетомагнетики с несобственным
СЭ упорядочением магнитной природы
Индуцирование СЭ поляризации однородно упоря-
доченной магнитной подсистемой возможно в нецен-
тросимметричном кристалле, симметрия которого до-
пускает линейное по P слагаемое в энергии [10]. Такой
несобственный СЭ переход наблюдается в Ni–I бора-
ците. В центросимметричном кристалле электрическая
поляризация может индуцироваться магнитными не-
однородностями: модулированной магнитной структу-
рой, как в 2 4Cr BeO , магнитными доменными граница-
ми. Величина магнитоиндуцированной электрической
поляризации обычно мала ( 20,1мкКл·см )P −≤ , но ее
магнитное происхождение приводит к сильной зави-
симости такой поляризации от магнитного состояния.
Поэтому не столь большие магнитные поля могут су-
щественно изменить диэлектрические свойства.
2.1.1. Индуцирование сегнетоэлектричества в спи-
ральных магнетиках. Термин «колоссальный МЭ эф-
фект» появился в литературе после опубликования
работы Kimura et al. «Magnetic control of ferroelectric
polarization» (2003), в которой сообщалось об измене-
нии диэлектрической постоянной на 10% в магнитном
поле порядка нескольких тесла в орторомбическом
перовските 3TbMnO с модулированной АФ структу-
рой. В таком не столь большом магнитном поле на-
блюдалось также изменение направления электриче-
ской поляризации от оси z к оси x, названное магнито-
индуцированным поляризационным флопом («magne-
tic–field-induced electric polarization flop») [54].
TbMnO3. Орторомбический перовскит 3TbMnO
имеет синусоидально модулированную АФ структуру
ниже температуры Нееля 42NT ≅ К с вектором моду-
ляции и направлением спинов ионов Mn вдоль оси y.
При температуре 27cT ≈ К магнитная модулирован-
ная структура становится неколлинеарной (возникает
z-компонента АФ вектора) и одновременно появляется
электрическая поляризация вдоль оси z [55]. Этому
явлению соответствует МЭ энергия вида
yME z
z z y
A A
F P A A
y y
∂⎛ ⎞∂
= ν −⎜ ⎟⎜ ⎟∂ ∂⎝ ⎠
, (2.1)
где A — АФ вектор спинов 3+Mn . Спины ионов
3+Tb упорядочиваются при более низких температурах
7T T ′< ≈ К. Температурные зависимости всех компо-
нент электрической поляризации 3TbMnO в магнит-
ных полях различных направлений представлены в
работе [56]. Качественное объяснение этих МЭ диа-
грамм, в том числе «поляризационного флопа», пред-
ложено, исходя из симметрийных соображений, в ра-
боте [57]. Поскольку симметрия 3TbMnO не разреша-
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 603
ет линейного по xP МЭ слагаемого в А-состоянии типа
(2.1), то наблюдение xP после спин–флопа в магнит-
ном поле yH объясняется «примесью» более слабых,
чем А, состояний G , обнаруженных нейтронографиче-
ски [58]. Ответственной за появление xP МЭ энергией
считается инвариант вида ( /x z zP A G y∂ ∂ – / )z zG A y∂ ∂ .
Наблюдаемый «поляризационный флоп» в модели,
предложенной в [57], не является результатом поворо-
та вектора момента, как в магнетиках.
Наряду с магнитным контролем электрической по-
ляризации в 3TbMnO недавно был продемонстриро-
ван электрический контроль вектора магнитной спира-
ли в этом кристалле [59]. Вектор спирали C — это
вектор, перпендикулярный плоскости, в которой лежат
спины. У 3TbMnO спины лежат в плоскости yz. Изме-
нение знака какой-либо из проекций спина меняет знак
xC (т.е. знак киральности), а также знак электрической
поляризации zP (см. (2.1)). Состояние с заданным зна-
ком zP создавалось охлаждением кристалла вблизи cT
в электрическом поле соответствующего направления.
Таким образом, изменение направления электрическо-
го поля изменяло знак вектора спирали.
В 3TbMnO были обнаружены гибридные МЭ воз-
буждения, предсказанные в сегнетомагнетиках более
40 лет назад (так называемые «сегнетомагноны» [60]).
Они возбуждались в терагерцевом диапазоне перемен-
ным электрическим полем, перпендикулярным на-
правлению спонтанной поляризации. МЭ возбуждения
возникали лишь в магнитоупорядоченном состоянии
( )NT T< как в СЭ, так и в параэлектрической фазах, и
поэтому были названы электромагнонами [61]. Интен-
сивность поглощения электрического поля (мнимая
часть соответствующей эксперименту диэлектриче-
ской постоянной) не имела заметных изменений при
температуре СЭ упорядочения 27cT = К. Значитель-
ные изменения в поглощении переменного электриче-
ского поля в 3TbMnO вблизи cT следует ожидать при
направлении этого поля вдоль спонтанной электриче-
ской поляризации, когда электромагнонная мода явля-
ется фазонной модой этого одновременно СЭ и маг-
нитного ориентационного перехода [62]. Теоретиче-
ский анализ [63] возбуждений электромагнонов элек-
трическим полем различных поляризаций в сегнето-
магнитном состоянии 3TbMnO находится в качествен-
ном согласии с экспериментом.
DyMnO3 и другие манганиты. Магнитные и СЭ
свойства 3DyMnO подобны свойствам 3TbMnO . Си-
нусоидальное АФ упорядочение наблюдается при тем-
пературах ниже ~ 39NT К, электрическая поляриза-
ция zP возникает в неколлинеарной АФ фазе ниже
~ 18cT К. МЭ эффекты в магнитных полях xH и yH
подобны наблюдаемым в 3TbMnO . Но диэлектриче-
ская постоянная xxε показывает гигантское изменение
/ ~ 500%Δε ε в магнитном поле ~ 5 TлyH вблизи cT
[64]. Этот МЭ эффект значительно больше, чем в
3TbMnO .
Появление электрической поляризации при перехо-
де из коллинеарного в неколлинеарное модулирован-
ное АФ состояние наблюдалось в твердых растворах
3(Tb,Dy)MnO , 3(Eu,Y)MnO , 3(Eu,Ho)MnO . В послед-
нем соединении изменение температуры или содержа-
ния гольмия приводило к изменению направления
электрической поляризации [65].
Смешанные СЭ и спиновые возбуждения — элек-
тромагноны — наблюдались в виде хорошо опреде-
ленных пиков на частотах 25 и 80 1cм− в СЭ–АФ
0,75 0,25 3Eu Y MnO [66]. Полученные данные не согла-
суются с теорией [67], согласно которой электромаг-
ноны должны наблюдаться при направлении электри-
ческого поля перпендикулярно спонтанной поляриза-
ции. Однако хорошо определенные электромагноны
наблюдались только при направлении электрического
поля вдоль спонтанной поляризации [66]. Эти резуль-
таты были также подтверждены позже [68].
RMn2O5 (R = Pr–Lu, Y и Bi). После открытия ко-
лоссального МЭ эффекта в 3TbMnO последовало изу-
чение МЭ свойств семейства орторомбических редко-
земельных манганатов 2 5RMn O , где ранее [24] была
замечена сильная корреляция магнитных и СЭ свойств.
Гигантское изменение диэлектрической постоянной ε
на 100% в магнитном поле 7 Тл при низких температу-
рах было обнаружено в манганате 2 5DyMn O (рис. 1,а)
[69]. В манганатах с R = Ho, Dy, Tb электрическая по-
ляризация при понижении температуры изменялась
немонотонно, меняла знак (рис. 1,б) [69]. Для объясне-
ния такого поведения авторы предположили существо-
вание в кристалле двух поляризаций разного происхо-
ждения. Эта гипотеза нашла подтверждение в резуль-
татах нейтронографии 2 5DyMn O [70]. Они показали
присутствие разных магнитных состояний, в том числе
модулированных вдоль осей x и z, которые имеют
близкие энергии. Присутствие этих магнитных фруст-
раций является причиной наблюдаемых сильных МЭ
эффектов в манганатах. Так, инверсия знака Р связана
с переходом из несоизмеримого модулированного маг-
нитного состояния в соизмеримое [71]. Существенным
отличием манганатов от манганитов RMnO3 являет-
ся разная валентность ионов марганца в манганатах.
Конкуренция обменных взаимодействий 3+ 3+Mn – Mn ,
4+ 4+Mn – Mn и 3+ 4+Mn – Mn приводит к наличию близ-
ких энергетических состояний и разнообразным фазо-
вым переходам между ними, сопровождаемым измене-
ниями электрической поляризации [72].
Внешнее магнитное поле порядка нескольких тесла
может индуцировать в манганатах возвратный пере-
ход из СЭ в параэлектрическое состояние [73,74]. В
2 5TbMn O отмечены эффекты «магнитной памяти» у
электрической поляризации. Об этом свидетельствова-
И.Е. Чупис
604 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6
ла многократная воспроизводимость реверсии P маг-
нитным полем при низких температурах [75]. В более
сильных полях магнитные переходы (спин–флоп,
спин–флип и другие ориентационные переходы) со-
провождаются прыжком электрической поляризации.
В манганатах с R = Eu, Y, Gd, Er в сильных импульс-
ных полях порядка обменных наблюдалось немоно-
тонное поведение электрической поляризации и изме-
нение ее знака [76,77]. При низких температурах в
упомянутые выше эффекты вносят вклад помимо ио-
нов марганца и редкоземельные ионы, спины которых
упорядочиваются. Величина МЭ эффектов, как прави-
ло, увеличивается, и появляются новые особенности,
вносимые взаимодействием марганцевой и редкозе-
мельной подсистем [78].
Влияние электрического поля на магнитную под-
систему манганатов изучено мало. Недавним результа-
том является индуцирование электрическим полем E ~
~ 13 кВ/cм магнитного перехода из несоразмерной в
соразмерную фазу с изменением величины и направ-
ления магнитных моментов в 2 5ErMn O [79].
В СЭ–АФ 2 5GdMn O впервые наблюдался новый
тип квазичастиц, предсказанных много лет назад [60],
— сегнетомагноны (Golovenchits, Sanina, 2003) [80].
Недавние спектральные измерения на монокристалле
2 5TbMn O с магнитным редкоземельным ионом 3+Tb и
на монокристалле 2 5YMn O с немагнитным ионом
3+Y показали в терагерцевом диапазоне одни и те же
значения частот электромагнонов, что свидетельствует
об определяющем вкладе спинов марганца в сегнето-
магнонный спектр [81]. Сильная МЭ связь возбужде-
ний наблюдалась только при ориентации переменного
электрического поля вдоль спонтанной поляризации,
что согласуется с результатами работ [62,66,68] и не
соответствует теоретической концепции [67].
Другие спиральные сегнетомагнетики. В центро-
симметричном 3 2 8Ni V O (NVO) в неколлинеарной
модулированной АФ фазе (спины лежат в плоскости
xy) в узком температурном интервале 3,9 К 6,3КT< <
наблюдалась электрическая поляризация yP вдоль оси
y . Она исчезала в немодулированном АФ состоянии
со слабым ферромагнетизмом ниже 3,9 К. Это явление
получило объяснение в рамках теории Ландау [82].
Сравнительно недавно открыт новый сегнетомагне-
тик со структурой вольфрамита MnWO4 [83]. Спины
ионов 2Mn ( 5 / 2)S+ = образуют зигзагообразную це-
почку вдоль оси z. Электрическая поляризация yP по-
является при ~ 12,7T К в модулированной фазе и
магнитным полем выше 10 Тл может быть переориен-
тирована от оси y к оси x (подобно тому, как это на-
блюдалось в 3TbMnO ). Поскольку 4MnWO не содер-
жит редкоземельных ионов, это означает, что для на-
блюдения эффекта переориентации P присутствие
редкоземельных ионов не обязательно.
СЭ поляризация zP обнаружена в спиральном ква-
зиодномерном магнетике LiCu2O2, содержащем одина-
ковое число ионов 1+Cu и 2+Cu , причем двухвалент-
ные ионы имеют спин 1/ 2S = и образуют цепочки
вдоль оси y [84]. Недавние нейтронографические экс-
перименты [85] подтверждают предположение [84] о
расположении спинов в плоскости yz.
Низкотемпературным квазиодномерным сегнето-
магнетиком является LiCuVO4, имеющий орторомби-
ческую инвертированную структуру шпинели. Орто-
ромбические искажения кристаллической структуры
Рис. 1. Температурная зависимость диэлектрической посто-
янной yyε в 2 5DyMn O при различных магнитных полях
xH (а). Температурная зависимость спонтанной поляриза-
ции yP в разных соединениях [69] (б).
00 TTëë
55 TTëë
77 TTëë
aa
4040
3030
2020
��
6060
4040
2020
00
–20–20
–40–40
00 1010 2020 3030 4040
TT, K, K
H = 0H = 0 TTëë áá
~~~~
DyMnDyMn OO22 55
DyMnDyMn OO22 55
PP,,
/c/c
í
Ê
ë
í
Ê
ë
ìì
22
HoMnHoMn OO22 55 TbMnTbMn OO22 55
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 605
являются следствием кооперативного эффекта Яна-
Теллера для ионов 2+Cu . Электрическая поляризация
xP появляется при ~ 2,5c mT T= К одновременно со
спиральным упорядочением спинов в плоскости xy
[86]. Вектор спирали (нормаль к плоскости спинов)
может быть легко переключен магнитным полем [87].
Недавно изучалось влияние температуры и магнитного
поля на диэлектрические свойства этого соединения
[88].
В ФИМ кубической шпинели CoCr2O4 переход в ко-
ническое несоизмеримое спиновое состояние при
26T ≈ К сопровождается появлением электрической
поляризации вдоль [110] [89]. Электрическая поляри-
зация на два-три порядка меньше, чем в манганатах и
манганитах и может быть легко переключена малым
магнитным полем порядка 0,1 Тл.
Во всех приведенных выше спиральных сегнето-
магнетиках направление индуцированной поляризации
согласуется с предсказаниями теории (Katsura et al.,
2005) [90]: вектор P лежит в плоскости спинов и пер-
пендикулярен вектору модуляции .k
Однако в АФ на треугольной решетке RbFe(MoO4)2
электрическая поляризация параллельна вектору моду-
ляции [91]. Этот экспериментальный результат под-
тверждает проведенный в этой же работе аккуратный
симметрийный анализ в рамках теории Ландау. То есть
предложенная в [90] теоретическая модель не является
общей.
Сегнетомагнетики-полупроводники. Замещение
редкоземельных ионов в манганитах и манганатах
изовалентными ионами привело к колоссальному уве-
личению диэлектрической проницаемости и пере-
ходу в полупроводниковое состояние соединений
Tb0,95Bi0,5MnO3, Gd0,75Ce0,25Mn2O5 и Eu0,8Ce0,2Mn2O5
[92]. Так, при малом замещении тербия металлическим
висмутом в манганите тербия появляются электроны и
ионы разной валентности 3+Mn и 4+Mn . С увеличени-
ем температуры растущая электронная прыжковая
проводимость приводит к формированию периодиче-
ского распределения заряда в объеме кристалла и ре-
шеточной деформации. При 180 КT > появляется
электрическая поляризация и колоссальная диэлектри-
ческая проницаемость 4 5~ 10 10ε − . Помимо этого
двойной обмен ионов 3+ 4+Mn – Mn индуцирует ферро-
магнитное состояние. Исследования [92] (Санина и
др., 2008) открывают вдохновляющие перспективы для
использования полупроводниковых сегнетомагнетиков
в науке и технике.
Теории индуцирования СЭ спиральной магнит-
ной структурой. Микроскопический механизм инду-
цирования СЭ в неколлинеарных магнетиках предло-
жен в [90] (Katsura et al., 2005), где рассмотрена кла-
стерная центросимметричная модель с двумя d-
ионами, между которыми находится кислород с пустой
p-орбиталью. Косвенное обменное взаимодействие
между спинами 1s и 2s магнитных ионов устанавли-
вается через ион кислорода в результате ковалентной
связи d- и p-электронов. Во втором приближении тео-
рии возмущений для вектора электрической поляриза-
ции получено выражение
12 s∝ ×P e j , 1 2~s ×j s s , (2.2)
где 12e — единичный вектор в направлении от узла 1 к
узлу 2, sj — так называемый спиновый ток (spin-
current) при неколлинеарных спинах. Феноменологи-
ческим аналогом формуле (2.2) является выражение,
полученное для кубического ФМ [93] (Mostovoy,
2006):
[ ( ( ) ]∝ ∇ − ∇P M M M M . (2.3)
Если ввести вектор модуляции k и вектор спирали
~ sC j , то выражение (2.3) можно записать в виде
∝ ×P C k . С этим соотношением согласуются приве-
денные выше результаты для 2 4СoCr O , 4MnWO ,
2 2LiCu O и 4LiCuVO , но нет согласия в случае
4 2RbFe(MoO ) . Кроме того, эта модель не описывает
«поляризационный флоп» в 3TbMnO .
Простая модель (2.3) не учитывает возможную мно-
гоподрешеточную структуру магнетика, например, G-,
C-состояния в 3TbMnO [57], т.е. в spin-current (SC)
модели не учитывается симметрия элементарной ячей-
ки [94]. Поэтому SC модель не является универсальной
для объяснения сегнетоэлектричества в спиральных
магнетиках.
Подробный анализ свойств 3TbMnO , NVO,
3MnWO , 2 5TbMn O , 2 5YMn O и 4 2RbFe(MoO ) про-
веден в работе [95] в рамках теории Ландау с учетом
симметрии элементарной ячейки каждого соединения.
Результаты этого анализа показали неприменимость
SC модели к 4 2RbFe(MoO ) , где вектор P паралле-
лен k .
Получили распространение компьютерные расчеты
«из первых принципов» зонных структур в приближе-
нии LSDA. В СЭ они дают хорошо согласующиеся с
экспериментом результаты, но в сегнетомагнетиках
предсказывают сильно завышенные значения электри-
ческой поляризации.
Имеющиеся теоретические модели и компьютерные
расчеты критически анализируются в работе [96]
(Moskvin, Drechsler, 2008). Отмечается, что в модели
SC предполагается нереальное в 3d-оксидах сильное
спин-орбитальное взаимодействие, слишком сильное
зеемановское расщепление для создания спиновой не-
коллинеарности, что приводит к значительному завы-
шению ожидаемой поляризации. Подвергается критике
используемое в методе LSDA предположение, что
спиновая конфигурация приводит к потере центра ин-
версии в кристалле. Это противоречит известным
И.Е. Чупис
606 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6
представлениям о том, что магнитная анизотропия в
кристалле создается кристаллическим полем, т.е. ани-
зотропией распределения зарядов. В работе [96] дан
последовательный и детальный анализ МЭ механизмов
в купратах 2 2LiCu O и 4LiCuVO и показан традици-
онный корректный путь микроскопических расчетов.
Коллективные МЭ возбуждения (электромагноны) в
простой ФМ спиральной структуре с zk k= , спинами в
плоскости xz и равновесной электрической поляриза-
цией xP рассчитаны в работе [67]. Рассмотрены воз-
буждения электрической поляризации yP , поперечные
к спонтанной поляризации, как в эксперименте [61], и
пренебрегается электродипольными возбуждениями
вдоль равновесной поляризации xP , оказавшимися
наиболее МЭ активными [66,68,81], и которым соот-
ветствует фазонная мода перехода при c mT T= [62].
2.1.2. Сегнетоэлектричество, индуцированное колли-
неарной магнитной структурой. Не только спиральные
магнитные структуры могут индуцировать СЭ. Класси-
ческим примером служит Ni–I борацит [11]. В одном и
том же соединении (например, в 2 5YMn O [72]) элек-
трическая поляризация может существовать как в спи-
ральной, так и в соизмеримой магнитной фазе.
Недавно было предсказано СЭ в коллинеарной маг-
нитной E-фазе орторомбического перовскита 3HoMnO
[97]. В этом соединении ионы марганца с параллель-
ными спинами образуют зигзагообразные цепочки в
плоскости xy и соседние цепочки вдоль оси y имеют
противоположные спины. Ниже температуры Нееля
спины имеют синусоидальное АФ упорядочение и
электрическая поляризация отсутствует. При пониже-
нии температуры происходит магнитный переход в
соизмеримую антиферромагнитную Е-фазу ( )↑↑↓↓ ,
допускающую существование P вдоль оси x [97]. Про-
верка этого предсказания на поликристалле 3HoMnO
не подтвердила ожидаемой [97] заметной величины
электрической поляризации.
Электрическая поляризация в магнитной коллине-
арной Е-фазе недавно была открыта в изинговском
магнетике 3 2 6Ca Co Mn Ox x− (x = 0,96) [98]. Использо-
валась модель для цепочки с ФМ взаимодействием
спинов ближайших соседей FI и АФ взаимодействием
следующих за ближайшими соседями AFI . Магнитное
Е-состояние возникает, если / 1/ 2.AF FI I > Нейтроно-
графия указанного соединения показала, что ниже
16,5T = К в цепочке наблюдается чередование ионов
2+Co и 4+Mn с направлением спинов вдоль цепочки.
Возникшая в результате магнитострикции электриче-
ская поляризация была направлена тоже вдоль цепочки
и оказалась очень маленькой, на порядок меньшей, чем
в спиральных магнетиках.
2.2. Сегнетомагнетики с собственными СЭ и
магнитным упорядочениями
Первые открытые сегнетомагнетики относятся к со-
единениям с неблизкими температурами электрическо-
го и магнитного переходов и имеют структуру типа
перовскита. Среди них наиболее изучен СЭ–АФ
3BiFeO , имеющий ромбоэдрически искаженную
структуру перовскита и температуры упорядочений
1083cT = К, 643mT = К.
BiFeO3. Электрическая поляризация в кристалле
BiFeO3 направлена вдоль ромбоэдрической оси [111]c ,
и ее величина в массивном образце ~ 6–9 мкКл·см–2.
Ниже mT возникает АФ модулированная структура
(циклоида). Взаимная ориентация P , спинов и вектора
модуляции такая же, как в спиральных сегнетомагне-
тиках [90], т.е. P и k лежат в плоскости спинов. Но в
отличие от спиральных магнетиков, где направление и
величину электрической поляризации диктуют спины,
в 3BiFeO электрическая поляризация определяет мо-
дулированную спиновую конфигурацию благодаря МЭ
энергии [99]:
1 1
2 2
[ ( ) ( )] ,
( ) .
ME
ME
F
F
= γ ∇ ⋅ + × ∇×
= γ ⋅ ×
P L L L L
P L M
(2.4)
Здесь L — вектор антиферромагнетизма.
Циклоидную спиновую конфигурацию определяет
первое слагаемое в (2.4), а второе свидетельствует о
возможности СФМ и ЛМЭЭ при наличии электриче-
ской поляризации. Последние два эффекта в массив-
ном 3BiFeO не обнаружены ввиду модуляции магнит-
ной структуры. Необходимым условием их наблюде-
ния является подавление циклоидной структуры (на-
пример, в пленках).
Подавление модулированной магнитной структуры
в эпитаксиальных пленках недавно обнаружено с по-
мощью нейтронографических измерений [100]. Тонко-
пленочные структуры 3BiFeO обладают электриче-
ской поляризацией на порядок большей, чем в массив-
ном образце, и большой МЭ восприимчивостью [101].
В тонких пленках 3BiFeO наблюдалось переключе-
ние АФ доменов электрическим полем при комнатной
температуре (Zhao et al., 2003) [102]. Этот МЭ эффект
недавно обнаружен и в массивном 3BiFeO [103]. Ней-
тронографические измерения при комнатной темпера-
туре различают два МЭ домена с одним и тем же век-
тором модуляции [1,0, –1]=k и различными направле-
ниями P и вектора спирали C . СЭ поляризация в
3BiFeO может иметь восемь возможных (положитель-
ных и отрицательных) ориентаций вдоль четырех ку-
бических диагоналей, и ее направление может быть
переключено на 180, 109 и 71°. Переключение P элек-
трическим полем между СЭ доменами в силу ее связи с
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 607
вектором спирали ( )∝ ×P k C приводит к повороту
плоскости спинов (рис. 2).
BiMnO3. Это один из немногих сегнетомагнетиков
с ФМ упорядочением ( ~ 100mT К). ФМ в 3BiMnO
подтвержден неоднократно, а характер электроди-
польного упорядочения ниже ~ 750cT –770 К еще не
вполне ясен. Возможность СЭ упорядочения была
предсказана в расчетах методом LSDA [104]. Наблю-
далось изменение диэлектрической постоянной в маг-
нитном поле вблизи mT [105], которое хорошо согласу-
ется с зависимостью 2~ MΔε и с представлением об
обменной природе наблюдаемого излома в темпера-
турной зависимости ε [10]. Новый оптический метод
генерации второй гармоники помог обнаружить СЭ
упорядочение в эпитаксиальных пленках 3BiMnO
[106].
Новые сегнетомагнетики со структурой перов-
скита. Синтез новых сегнетомагнитных соединений со
структурой перовскита в настоящее время идет актив-
но и успешно. Число реальных и потенциальных сег-
нетомагнетиков постоянно растет. Согласно Web of
Knowledge [107], около сотни исследований сегнето-
магнитных соединений (мультиферроиков) появляется
ежегодно. Упомяну лишь некоторые из них.
Синтезирован СЭ–ФМ 1 3Pb(Fe Ti )Ox x− с высокими
температурами СЭ и ФМ упорядочений ( 690cT = К,
543mT = К, x = 1/2) на основе сегнетоэлектрика
3PbTiO с большой поляризуемостью. Новое соедине-
ние имеет ~ 200ε и спонтанную поляризацию
2~ 10 мкКл·смsP − [108].
Открыто новое семейство сегнетомагнетиков —
редкоземельные хромиты 3LnCrO (Ln = Ho, Er, Yb,
Lu, Y) с температурами СЭ упорядочения в интервале
472–516 К и являющиеся АФ со слабым ферромагне-
тизмом при низких температурах (113–140 К) [109].
Теоретические исследования в рамках LSDA про-
гнозируют большие значения электрической поляриза-
ции и намагниченности в висмутсодержащих соедине-
ниях 2 6Bi FeCrO [110] и 2 6Bi FeTiO [111].
Гексагональные манганиты. Колоссальные МЭ
эффекты. Гексагональные редкоземельные манганиты
с общей формулой 3RMnO (R = Y, Ho, Er, Tm, Yb, Lu
или Sc, In) являются СЭ и АФ (или СФМ) с температу-
рами упорядочения 570 990cT = − К и 70 130mT = − К
[10]. В отличие от перовскитов их кристаллическая
структура нецентросимметрична. Существующие
трудности выращивания крупных монокристаллов
3RMnO затрудняют исследования их магнитной
структуры нейтронографическим методом. Поэтому
новый оптический метод генерации второй гармоники
[36,38] стал ключевым инструментом исследования
МЭ эффектов в гексагональных манганитах.
Первый колоссальный МЭ эффект в текущем веке
наблюдался в редкоземельном гексагональном манга-
ните 3YMnO (Fiebig et al., 2002) [53]. C помощью ме-
тода генерации второй гармоники была обнаружена
сильная связь СЭ и АФ доменных структур (рис. 3).
СЭ доменная структура представлена на рис. 3,а, а АФ
домены — на рис. 3,б. Светлые и темные области соот-
ветствуют доменам с противоположным направлениям
P или АФ вектора L . При сравнении рисунков видно,
что реверсия P сопровождается реверсией L и на-
оборот. Кроме сильно связанных СЭ и АФ областей
существуют и «свободные» АФ области в СЭ домене.
Обнаруженное взаимодействие АФ и СЭ доменов в
солитонной теории считают результатом пьезомагнит-
ной связи [112], а в микроскопической теории — ре-
зультатом антисимметричного обмена и энергии маг-
нитной анизотропии, содержащих нечетные степени
электрической поляризации [113]. Такая энергия, как
уже известно (см. предыдущие разделы), существует в
доменных границах ввиду их неоднородностей.
Теоретические вычисления «из первых принципов»
спектра второй гармоники [114] показали возможную
роль в наблюдаемом сильном МЭ эффекте связи 3d
(Mn) и 2p (O) зон. Экспериментально обнаружено
[115] сильное электродипольное поглощение, связан-
ное с переходом между этими зонами, но обнаружи-
Рис. 2. Плоскости спиновых вращений и вектор спирали k
для двух СЭ доменов в 3BiFeO [103].
EE
PP[1[1111]1]
bb
aa
cc PP[1-1[1-11]1]
kk
Рис. 3. СЭ (а) и АФ (б) домены в YMnO3 [53].
0
5
0
5,
ì
ì
,
ì
ì
aa áá
И.Е. Чупис
608 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6
лись и расхождения с теорией. Роль ионов марганца в
наблюдаемом явлении еще окончательно не выяснена.
Есть мнения, что главную роль в эффекте играют ред-
коземельные ионы [116,117].
В гексагональных манганитах редкоземельные ио-
ны проявляют себя при низких температурах (в магни-
тоупорядоченной фазе) более активно, чем в перов-
скитных манганитах. Так, в 3HoMnO наблюдается ряд
температурных и полевых ориентационных переходов
в марганцевой и гольмиевой спиновых подсистемах
при низких температурах [118–120].
Электрический контроль над магнитным упорядо-
чением впервые наблюдался в 3HoMnO во внешнем
электрическом поле 510 В/cмE = (Lottermoser et al.,
2004) [121]. При температурах ниже ТN электрическое
поле индуцировало фазовый переход из парамагнитно-
го или АФ состояния в ФМ фазу. При этом с помощью
магнитооптических измерений наблюдалось изменение
в магнитной структуре подсистемы 3+Ho .
Кроме упомянутых сильных МЭ эффектов, в гекса-
гональных манганитах наблюдались изломы в диэлек-
трической проницаемости и оптической фононной час-
тоте при температуре Нееля. В 3LuMnO наблюдалось
изменение частоты 1270 cм−ω = порядка 1% [122], т.е.
эффект был такой же величины, как в 4BaCoF [19].
Электронные сегнетомагнетики. В обычных сег-
нетомагнетиках магнитные свойства определяют элек-
троны, а СЭ поляризацию – ионы кристаллической
решетки, хотя участие электронов в электрической
поляризуемости даже в адиабатическом приближении
может быть значительным, как, например, в 3PbTiO и
3BaTiO . При СЭ переходе смещение иона (ядра и
электронов) в диэлектрике происходит как целое. Эта
простая картина корректна в ионных кристаллах, но в
магнетиках обменное взаимодействие нарушает элек-
тронную локализацию. Фрустрация обменных связей,
присутствие магнитных ионов разной валентности и
металлические примеси приводят к перераспределе-
нию зарядовой (электронной) плотности в кристалле и
образованию так называемого зарядового упорядоче-
ния (ЗУ).
Электронное ЗУ может сопровождаться возникно-
вением электрической поляризации электронной при-
роды.
Электронное СЭ было обнаружено [123] в ФИМ со
смешанной валентностью 2 4LuFe O , принадлежащем
семейству 2 4RFe O , где R — редкоземельные элемен-
ты от Dy до Lu и Y. Треугольная решетка в этих сое-
динениях содержит одинаковое число ионов 2+Fe и
3+Fe , центры которых в элементарной ячейке не сов-
падают, и, следовательно, возможно появление элек-
трической поляризации электронного происхождения.
Дальнейшие эксперименты [124] подтвердили появле-
ние P при температуре зарядового упорядочения
330coT = К. Величина 2~ 30 мкКл·смP − такого же
порядка, что и в 3BaTiO , а изменение электрической
поляризации при температуре магнитного перехода
250mT = К аномально велико, 1/ ~ 10P P −Δ . Напом-
ним, что в 4BaMnF и 4BaCoF эта величина на порядок
меньше ( 2/ ~ / ~ / ~ 10 )P P −Δε ε Δω ω Δ [19,125]. Таким
образом, первый колоссальный МЭ эффект в электрон-
ном сегнетомагнетике открыт в 2 4LuFe O .
Электронный механизм сегнетоэлектричества в пе-
ровскитных манганитах с ЗУ был продемонстрирован в
1 3R Ca MnOx x− [126]. Этот механизм недавно получил
экспериментальное подтверждение в 0,6 0,4 3Pr Ca MnO
и 0,6 0,4 3Nd Ca MnO , где наблюдалась электрическая
поляризация в ЗУ и АФ состоянии при гелиевых тем-
пературах [127].
Магнетит 3 4Fe O , самый первый из известных маг-
нетиков, тоже является сегнетомагнетиком. СЭ свойст-
ва в нем установлены еще в конце прошлого столетия.
Этот высокотемпературный ферримагнетик со
структурой шпинели содержит ионы железа разной
валентности, 2Fe + и 3Fe + . При температуре Вервея
~ 120VT К в магнетите происходит фазовый переход
металл–диэлектрик, который сопровождается струк-
турными искажениями и появлением электрической
поляризации. Микроскопическая природа этого пере-
хода окончательно не установлена, но последние ис-
следования показывают важную роль в этом фазовом
переходе как зарядового, так и орбитального упорядо-
чений [128].
К электронному типу сегнетомагнетиков, возможно,
относятся никелаты 3RNiO , в которых обнаружено
изменение кристаллической симметрии при магнитном
переходе и сосуществование ЗУ с магнитной Е-струк-
турой [129].
Заключение
Целью настоящего краткого обзора было просле-
дить путь, который прошла наука о сегнетомагнетиках,
предсказанных и открытых Г.А. Смоленским с сотруд-
никами пятьдесят лет назад. Уже первые десятилетия
после открытия этого нового класса веществ ознаме-
новались значительным пополнением числа сегнето-
магнетиков в виде монокристаллов и твердых раство-
ров, а также обнаружением двух гигантских МЭ эф-
фектов в Ni I− бораците. В течение нескольких после-
дующих десятилетий новых сильных МЭ эффектов
обнаружено не было, преимущественно изучались сег-
нетомагнетики с собственными ( )c mT T≠ магнитным
и СЭ упорядочениями, и наблюдаемые эффекты бы-
ли слабыми. Однако исследования сегнетомагнетиков
продолжались, совершенствовалась техника синтеза и
исследования оксидных материалов, к которым при-
надлежит большинство сегнетомагнитных кристаллов.
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 609
Главный, решающий для дальнейшего прогресса
прорыв в МЭ исследованиях произошел с изобретени-
ем и освоением нового метода нелинейной оптики —
метода генерации второй гармоники. Этот метод по-
зволил визуализировать взаимосвязь СЭ и магнитной
доменных структур в сегнетомагнитных кристаллах.
Этот метод, впервые продемонстрированный в гекса-
гональном СЭ–АФ 3YMnO с c mT T≠ , показал реаль-
ную возможность контроля магнитным (СЭ) упорядо-
чением электрическим (магнитным) полем вследствие
взаимосвязи СЭ и магнитной доменных структур в
сегнетомагнетиках с сильными СЭ и спиновой подсис-
темами. С этого колоссального МЭ эффекта начался в
XXI столетии отсчет новых свидетельств сильной МЭ
связи в сегнетомагнетиках.
Появилось сообщение о колоссальном МЭ эффекте
в 3TbMnO с несобственным СЭ упорядочением, ин-
дуцированным спиральной спиновой структурой
( )c mT T= . Электрическая поляризация, порожденная
пространственной модуляцией спинов, была очень
маленькой, но ее малость и магнитное происхождение
позволили осуществить магнитный контроль СЭ
свойств в доступных не слишком больших магнитных
полях порядка нескольких тесла.
Все обнаруженные к настоящему времени колос-
сальные МЭ эффекты найдены именно в сегнетомагне-
тиках, что соответствует ожиданиям [10], и наблюдены
во внешних полях. Колоссальный спонтанный МЭ эф-
фект наблюдался лишь в электронном сегнетомагнети-
ке 2 4LuFe O . Магнитный контроль за электрической
поляризацией (изменение ее величины и направления
в магнитном поле) наблюдался чаще всего. Электри-
ческий контроль (изменение магнитного упорядоче-
ния в электрическом поле) продемонстрирован в кри-
сталлах Ni–I борацита, 3HoMnO , 3TbMnO , 3BiFeO ,
2 5ErMn O и 3YMnO .
За прошедшие 50 лет число однофазных сегнето-
магнетиков увеличилось. В добавление к нескольким
десяткам веществ, указанных в обзоре [10], появились
следующие новые соединения и семейства: орторомби-
ческие 3RMnO , 2 5RMn O , 3 2 8Ni V O , 4 2RbFe(MoO ) ,
4MnWO , 2 2LiCu O , 4LiCuVO , 2 4CoCr O , 2 4LuFe O ,
3LnCrO (Ln = Ho, Er, Yb, Lu, Y), 3 4Fe O , никелаты
3RNiO , ФМ–СЭ шпинель 2 4CdCr S [130], пироксены с
общей формулой 2 6AMSi O (A = одно- или двухва-
лентный металл, M = двух- или трехвалентный металл)
[131].
Возможно, сегнетомагнетиком является и редкозе-
мельный ферроборат 3 3 4GdFe (BO ) [132,133]. Кроме
того, было получено значительное число сегнетомаг-
нитных твердых растворов, главным образом со струк-
турой перовскита.
Обнаружение колоссальных МЭ эффектов в сегне-
томагнетиках представляет значительный интерес как
для фундаментальной науки, так и для практических
применений. Сегнетомагнетики представляются пер-
спективными материалами для взаимного МЭ контро-
ля электрических и магнитных свойств в резонансных
устройствах широкого частотного диапазона, в систе-
мах с МЭ памятью, в пленочных волноводах, в спин-
тронике [134] и т.д. Наблюдаемое большое изменение
диэлектрической постоянной в магнитном поле может
быть использовано для создания конденсаторов с маг-
нитной настройкой. Для реализации этих надежд нуж-
ны кристаллы с сильной МЭ связью. В этом отноше-
нии перспективными представляются электронные
сегнетомагнетики, в которых СЭ и магнитное упоря-
дочения создаются одним и тем же объектом — элек-
троном. Отсутствие промежуточных цепочек в МЭ
взаимодействии должно значительно увеличить МЭ
эффект. Так, электронные сегнетомагнетики, создан-
ные химическим допингом [92,108], имеют высокую
диэлектрическую проницаемость и температуры упо-
рядочения, близкие к комнатным. Поэтому электрон-
ные сегнетомагнетики кажутся наиболее перспектив-
ными для применений. Однако препятствием является
их проводимость и значительные потери. Для умень-
шения проводимости предлагается использовать тон-
кие пленки и ферримагнетики, которые часто являются
диэлектриками [130,135].
В настоящем обзоре не рассматриваются многофаз-
ные системы (слоистые структуры, композиты),
имеющие разнообразные структурные возможности
изменения МЭ свойств. Подробную информацию о
таких сегнетомагнитных структурах можно найти в
обзорных работах [12,13,136].
Интерес к сегнетомагнетикам в последнее время ве-
лик. Основные результаты последних лет и перспекти-
вы МЭ исследований содержатся также в материалах
конференций [137,138] и обзорах [12,77,117,130,139].
1. G.A. Smolenskii and V.A. Ioffe, Communications de Col-
loque International de Magnetism de Grenoble (France), 2–6
Jullet, Communication No.1 (1958).
2. Г.А. Смоленский, В.А. Исупов, Н.Н. Крайник, А.И.
Аграновская, Изв. АН СССР, Сер. физ. 25, 1333 (1961).
3. В.А. Боков, И.Е. Мыльникова, Г.А. Смоленский, ЖЭТФ
42, 643 (1962).
4. Г.А. Смоленский, В.А. Исупов, А.И. Аграновская, Н.Н.
Крайник, ФТТ 2, 2982 (1960).
5. Ю.Н. Веневцев, Г.С. Жданов, С.П. Соловьев, Кристалло-
графия 5, 520 (1960).
6. Г.А. Смоленский, В.М. Юдин, Е.С. Шер, Ю.Е. Столы-
пин, ЖЭТФ 43, 877 (1962).
7. С.В. Киселев, Р.П. Озеров, Г.С. Жданов, ДАН СССР 145,
1255 (1962).
8. F. Bertaut, F. Forrat, and P. Fang, Compt. Rend. Aadc. Sci.
256, 1958 (1963).
9. E. Ascher, H. Rieder, H. Schmid, and H. Stössel, J. Appl.
Phys. 37, 1404 (1966).
И.Е. Чупис
610 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6
10. Г.А. Смоленский, И.Е. Чупис, УФН 137, 415 (1982)); in:
Problems in Solid-state Physics, Mir Publishers, Moscow
(1984), p. 81.
11. Ю.Н. Веневцев, В.В. Гагулин, В.Н. Любимов, Сегнето-
магнетики, Наука, Москва (1982).
12. M. Fiebig, J. Phys. D: Appl. Phys. 38, R123 (2005).
13. М.И. Бичурин, В.М. Петров, Д.А. Филиппов, Г. Срини-
васан, Магнитоэлектрический эффект в композицион-
ных материалах, Новгород (2005).
14. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Электродинамика сплошных
сред, Наука, Москва (1957).
15. И.Е. Дзялошинский, ЖЭТФ 37, 881 (1959).
16. Д.Н. Астров, ЖЭТФ 38, 984 (1960).
17. Г.М. Недлин, ФТТ 4, 3568 (1962).
18. S.А. Kizhaev and R.V. Pisarev, Sov. Phys. Solid State 26,
1012 (1984).
19. Ю.А. Попков, С.В. Петров, А.П. Мохир, ФНТ 1, 189
(1975) [Sov. J. Low Temp. Phys. 1, 91 (1975)].
20. A.J. Freeman and H. Schmid (ed.), Magnetoelectric Interac-
tion Phenomena in Crystals, Proc. MEIPIC-1(Seattle, USA,
21–24 May 1973), Gordon and Breach, London (1975).
21. K. Kato and S. Iida, J. Phys. Soc. Jpn. 50, 2844 (1981); ibid.
51, 1335 (1982); Y. Miyamoto and S. Chikazumi, J. Phys.
Soc. Jpn. 57, 2040 (1988); and the references cited there in:
D.I. Khomskiі, J. Magn. Magn. Mater. 306, 1 (2006).
22. Т.М. Перекалина, С.А. Черкезян, Сегнетомагнитные ве-
щества, Наука, Москва (1990).
23. J. Iida, J. Phys. Soc. Jpn. 62, 1723 (1993).
24. В.А. Санина, Л.М. Сапожникова, Е.И. Головенчиц, Н.В.
Морозов, ФТТ 30, 3015 (1988).
25. Y. Koyata and K. Kohn, Ferroelectrics 204, 115 (1997).
26. K. Kohn, Ferroelectrics 162, 1 (1994).
27. Yu.F. Popov, A.K. Zvezdin, G.P. Vorob’ev, A.M. Kadom-
tseva, V.A. Murashov, and D.N. Rakov, JETP Lett. 57, 69
(1993).
28. Yu.F. Popov, A.M. Kadomtseva, G.P. Vorob’ev, V.A. Sani-
na, M.-M. Tehranchi, and A.K. Zvezdin, J Magn. Magn
Mater. 188, 239 (1998).
29. I.V. Manzhos, Fiz. Nizk.Temp. 16, 361 (1990) [Sov. J. Low
Temp. Phys. 16, 199 (1990)].
30. I.V. Manzhos and I.E. Chupis, Phys. Status Solidi B157, K65
(1990).
31. K. Aizu, Phys. Rev. B2, 754 (1970).
32. H. Schmid, Ferroelectrics 162, 317 (1994).
33. H. Schmid, Ferroelectrics 221, 9 (1999).
34. J.-P Rivera and H. Schmid, Ferroelectrics 204, 23 (1997).
35. Е.И. Головенчиц, В.А. Санина, ФТТ 28, 713 (1986).
36. R.V. Pisarev, M. Fiebig, and D.Fröhlich, Ferroelectrics 204,
1 (1997).
37. R.R. Birss, Symmetry and Magnetism, North-Holland, Am-
sterdam (1966).
38. M. Fiebig, D. Fröhlich, K. Kohn, S. Leute, T. Lottermoser,
V.V. Pavlov, and R.V. Pisarev, Phys. Rev. Lett. 84, 5620
(2000).
39. P. Toledano, H. Schmid, M. Clin, and J.P. Rivera, Phys. Rev.
B32, 6006 (1985).
40. P. Toledano, Ferroelectrics 161, 257 (1994).
41. И.Е. Чупис, ФНТ 18, 306 (1992) [Low Temp. Phys. 18, 210
(1992)].
42. I.M. Vitebskii and N.M. Lavrinenko, Fiz. Nizk. Temp. 12,
1193 (1986) [Sov. J. Low Temp. Phys. 12, 672 (1986)];
Yu.G. Pashkevich, S.A. Fedorov, A.V. Eremenko, and V.L.
Sobolev, Ferroelectrics 162, 237 (1994).
43. В.Г. Белых, И.М. Витебский, В.Л. Соболев, Т.К. Соболе-
ва, ФНТ 14, 992 (1988) [Sov. J. Low Temp. Phys. 14, 546
(1988)].
44. С.А. Иванов, В.Н. Курлов, Б.К. Пономарев, Б.С. Редькин,
Известия АН, сер. физ. 56, 146 (1992).
45. I.E. Chupis, Ferroelectrics, 162, 375 (1994).
46. И.О. Троянчук, Н.В. Каспер, О.С. Мантицкая, С.Н. Пас-
тушонок, ЖЭТФ 78, 212 (1994).
47. N.A. Hill and K.M. Rabe, Phys. Rev. B59, 8759 (1994).
48. N.A. Hill, J. Phys. Chem. B104, 6694 (2000).
49. Yu.N. Venevtsev and V.V. Gagulin. Ferroelectrics, 162, 23
(1994).
50. Е.З. Кацнельсон, Л.А. Башкиров, Сегнетомагнитные ве-
щества, Наука, Москва (1990), с. 102.
51. H. Schmid, A. Janner, H. Grimmer, J.P. Rivera, and Z.G. Ye
(eds.) Proc. MEIPIC-2 (Ascona, Switzerland, 13–18 Sep-
tember 1993) Ferroelectrics, 161–162 (1994).
52. M. Bichurin (ed.) Proc. MEIPIC-3 (Novgorod, Russia, 16–
20 September 1996) Ferroelectrics 204 (1997).
53. M. Fiebig, Th. Lottermoser, D. Fröhlich, and R.V. Pisarev,
Nature 419, 818 (2002).
54. T. Kimura, T. Goto, H. Shintanl, K. Ishizaka, T. Arima, and
Y. Tokura, Nature (London) 426, 55 (2003).
55. M. Kenzelmann, A.B. Harris, S. Jonas, C. Broholm, J. Sche-
fer, S.B. Kim, C.L. Zhang, S.-W. Cheong, O.P. Vajk, and
J.W. Lynn, Phys. Rev. Lett. 95, 087206 (2005).
56. T. Kimura, G. Lawes, T. Goto, Y. Tokura, and A.P. Rami-
rez, Phys. Rev. B71, 224425 (2005).
57. И.Е. Чупис, ФНТ 34, 530 (2008) [Low Temp. Phys. 34, 422
(2008)].
58. R. Kajimoto, H. Yoshizawa, H. Shintani, T. Kimura, and Y.
Tokura, Phys. Rev. B70, 012401 (2004).
59. Y. Yamasaki, H. Sagayama, T. Goto, M. Matsuura, K. Hiro-
ta, T. Arima, and Y.Y. Tokura, Phys. Rev. Lett. 98, 147204
(2007).
60. В.Г. Барьяхтар, И.Е. Чупис, ФТТ 11, 3242 (1969).
61. A. Pimenov, A.A. Mukhin, V.Yu. Ivanov, V.D. Travkin,
A.M. Balbashov, and A. Loidl, Nature Phys. 2, 97 (2006).
62. И.Е. Чупис, ФНТ 33, 938 (2007) [Low Temp. Phys. 33, 715
(2007)].
63. И.Е. Чупис, ФНТ 35, 1101 (2009) [Low Temp. Phys. 35,
858 (2009)].
64. T. Goto, T. Kimura, G. Lawes, A.P. Ramirez, and Y. Toku-
ra, Phys. Rev. Lett. 92, 257201 (2004).
65. В.Ю. Иванов, А.А. Мухин, В.Д. Травкин, А.С. Прохоров,
В.В. Глушков, А.М. Балбашов, Материалы конференции
по физике низких температур, Ростов (2006) т. 1, с. 48.
66. R. Valdes Aguilar, A.B. Suchkov, C.L. Zhang, Y.I. Choi, S.-W.
Cheong, and H.D. Drew, Phys. Rev. B76, 060404(R) (2007).
Прогресс в изучении сегнетомагнитных кристаллов
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6 611
67. H. Katsura, A.V. Balatsky, and N. Nagaosa, Phys. Rev. Lett.
98, 027203 (2007).
68. A. Pimenov, A. Loidl, A.A. Mukhin, V.D. Travkin, V.Yu.
Ivanov, and A.M. Balbashov, Phys. Rev. B77, 014438
(2008).
69. N. Hur, S. Park, P.A. Sharma, S. Guha, and S.-W. Cheong,
Phys. Rev. Lett. 93, 107207 (2004).
70. W. Ratcliff II, V. Kiryukhin, M. Kenzelmann, S.-H. Lee, R.
Erwin, J. Schefer, N. Hur, S. Park, and S.-W. Cheong, Phys.
Rev. B72, 060407(R) (2005).
71. L.C. Chapon, G.R. Blake, M.J. Gutmann, S. Park, N. Hur,
P.G. Radaelli, and S.-W. Cheong, Phys. Rev. Lett. 93,
177402 (2004).
72. S. Kobayashi, T. Osawa, H. Kimura, Y. Noda, I. Kagomiya,
and K. Kohn, J. Phys. Soc. Jpn. 73, 1593 (2004).
73. D. Higashiyama, S. Miyasaka, N. Kida, T. Arima, and Y.
Tokura, Phys. Rev. B70, 174405 (2004).
74. D. Higashayama, S. Miyasaka, and Y.Y. Tokura, Phys. Rev.
B72, 064421 (2005).
75. H. Hur, S. Park, P.A. Sharma, J. Ahn, S. Guha, and S.-W.
Cheong, Nature (London) 429, 392 (2004).
76. Ю.Ф. Попов, А.М. Кадомцева, С.С. Кротов, Г.П. Воробь-
ев, К.И. Камилов, М.М. Лукина, М.М. Тегранчи, ЖЭТФ
123, 1090 (2003).
77. А.М. Кадомцева, С.С. Кротов, Ю.Ф. Попов, Г.П. Воробь-
ев, ФНТ 32, 933 (2006) [Low Temp. Phys. 32, 709 (2006)].
78. Ю.Ф. Попов, А.М. Кадомцева, Г.П. Воробьев, С.С. Кро-
тов, К.И. Камилов, М.М. Лукина, ФТТ 45, 2051 (2003).
79. Y. Bodenthin, U. Staub, M. Garcia-Fernández, M. Janos-
chek, J. Schlappa, E.I. Golovenchits, V.A. Sanina, and S.G.
Lushnikov, Phys. Rev. Lett. 100, 027201 (2008).
80. E.I. Golovenchits and V.A. Sanina, JETP Lett. 78, 88 (2003).
81. A.B. Sushkov, R. Valdés Aguilar, S. Park, S.-W. Cheong,
and H.D. Drew, Phys. Rev. Lett. 98, 027202 (2007).
82. G. Lawes, A.B. Harris, T. Kimura, N. Rogado, R.J. Cava, A.
Aharony, O. Entin-Wohlman, T. Yildirim, M. Kenzelmann,
C. Broholm, and A.P. Ramirez, Phys. Rev. Lett. 95, 087205
(2005).
83. K. Taniguchi, N. Abe, T. Takenobu, Y. Iwasa, and T. Arima,
Phys. Rev. Lett. 97, 097203 (2006).
84. S. Park, Y. Choi, C.I. Zhang, and S.-W. Cheong, Phys. Rev.
Lett. 98, 057601 (2007).
85. S. Seki, Y. Yamasaki, M. Soda, M. Matsuura, K. Hirota, and
Y. Tokura, Phys. Rev. Lett. 100, 127201 (2008).
86. Y. Naito, K. Sato, Y. Yasui, Y. Kobayashi, and M. Sato, J.
Phys. Soc. Jpn. 76, 023708 (2007).
87. N. Buttgen, H.-A. Krug von Nidda, L.E. Svistov, L.A. Pro-
zorova, A. Prokofiev, and W. Aszmus, Phys. Rev. B76,
014440 (2007).
88. F. Schrettle, S. Krohns, P. Lunkenheimer, J. Hemberger, N.
Buttgen, H.-A. Krug von Nidda, A.V. Prokofiev, and A.
Loidl, Phys. Rev. B77, 144101 (2008).
89. Y. Yamasaki, S. Miyasaka, Y. Kaneko, J.-P. He, T. Arima,
and Y. Tokura, Phys. Rev. Lett. 96, 207204 (2006).
90. H. Katsura, N. Nagaosa, and A.V. Balatsky, Phys. Rev. Lett.
95, 057205 (2005).
91. M. Kenzelmann, G. Lawes, A.B. Harris, G. Gasparovic, C.
Broholm, A.P. Ramirez, G.A. Jorge, M. Jaime, S. Park, Q.
Huang, A.Ya. Shapiro, and L.A. Demianets, Phys. Rev. Lett.
98, 267205 (2007).
92. В.А. Санина, Е.И. Головенчиц, В.Г. Залесский, ФТТ 50,
874, 883 (2008).
93. M. Mostovoy, Phys, Rev. Lett. 96, 067601 (2006).
94. M. Kenzelmann and A.B. Harris, Phys. Rev. Lett. 100,
089701 (2008).
95. A.B. Harris, Phys. Rev. B76, 054447 (2007).
96. A.S. Moskvin and S.-L. Drechsler, Phys. Rev. B78, 024102
(2008).
97. I.A. Sergienko, C. Sen, and E. Dagotto, Phys. Rev. Lett. 97,
227204 (2006).
98. Y.J. Choi, H.T. Yi, S. Lee, Q. Huamg, V. Kiryukhin, and S.-W.
Cheong, Phys. Rev. Lett. 100, 047601 (2008).
99. A.M. Kadomtseva, Yu.F. Popov, A.P. Pyatakov, G.P. Vo-
rob’ev, A.K. Zvezdin, and D. Viehland, Phase Trans. 79,
1019 (2006).
100. H. Bea, M. Bibes, S. Petit, J. Kreisel, and A. Barthelemy,
Philos. Mag. Lett. 87, 165 (2007).
101. J. Wang, H. Zheng, V. Nagarajan, B. Liu, S.B. Ogale, D.
Viehland, V. Venugopalan, D.G. Schlom, M. Wuttig, R.
Ramesh, J.B. Neaton, U.V. Waghmare, N.A. Hill, and K.M.
Rabe, Science 299, 1719 (2003).
102. T. Zhao, A. Scholl, F. Zavaliche, K. Lee, M. Barry, A. Do-
ran, M.P. Cruz, Y.H. Chu, C. Ederer, N.A. Spaldin, R.R.
Das, D.M. Kim, S.H. Baek, C.B. Eom, and R.R. Ramesh,
Nat. Mater. 5, 823 (2006).
103. D. Lebeugle, D. Colson, A. Forget, M. Viret, A.M. Bataille,
and A. Gukasov, Phys. Rev. Lett. 100, 227602 (2008).
104. R. Seshardi and N.A. Hill, Chem. Mater. 28, 2892 (2001).
105. T. Kimura, S. Kawamoto, I.Yamada, M. Azuma, M. Takano,
and Y. Tokura, Phys. Rev. B67, 180401 (2003).
106. A. Sharan, J. Lettien, Y. Jia, W. Tian, X. Pan, D.G. Schlom,
and V. Gopalan, Phys. Rev. B69, 214109 (2004).
107. Web of Knowledge http://isi10.isiknowledge.com/.
108. V.R. Palkar and S.K. Malik, Solid State Commun. 134,783
(2005).
109. J.R. Sahu, C.R. Serrao, N. Ray, U.V. Waghmare, and C.N.R.
Rao, J. Mater. Chem. 17, No 1, BP42 (2007).
110. P. Baettig and N. Spaldin, Appl. Phys. Lett. 86, 012505
(2005).
111. H.-J. Feng and F.-M. Liu, Phys. Lett. A372, 1904 (2008).
112. A.V. Goltsev, R.V. Pisarev, Th. Lottermoser, and M. Fiebig,
Phys. Rev. Lett. 90, 177204 (2003).
113. E. Hanamura, Y. Tanabe, J. Phys. Soc. Jpn. 72, 2959 (2003);
in: Magnetoelectric Phenomena in Crystals, M. Fiebig, V.V.
Eremenko, and I.E. Chupis (eds.), Dordrect, Kluwer, 164,
151 (2004).
114. M. Qian, J. Dong, and D.Y. Xing, Phys. Rev. B63, 155101
(2001).
115. A.M. Kalashnikov and R.V. Pisarev, Pis’ma Zh. Eksp. Teor.
Fiz. 78, 175 (2003).
116. B. van Aken, T.T.M. Palstra, A. Filippeti, and N.A. Spaldin,
Nature Mater. 3, 164 (2004).
И.Е. Чупис
612 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 6
117. D.I. Khomskii, J. Magn. Magn. Mater. 306, 1 (2006).
118. B. Lorenz, A.P. Livinchuk, M.M. Gospodinov, and C.W.
Chu, Phys. Rev. Lett. 92, 087204 (2004).
119. S. Nandi, A. Kreyssig, L. Tan, J.W. Kim, J.Q. Yan, J.C.
Lang, D. Haskel, R.J. McQueeney, and A.I. Golgman, Phys.
Rev. Lett. 100, 217201 (2008).
120. P.G. Radaelli, L.C. Chapon, A. Daoud-Aladine, C. Vecchini,
P.J. Brown, T. Chatterji, S. Park, and S.-W. Cheong, Phys.
Rev. Lett. 101, 067205 (2008).
121. T. Lottermoser, T. Lonkai, U. Amann, D. Hohlwein, J. Ihrin-
ger, and M. Fiebig, Nature (London) 430, 541 (2004).
122. A.B. Souchkov, J.R. Simpson, M. Quijada, H. Ishibashi, N.
Hur, J.S. Ahn, S.-W. Cheong, A.J. Millis, and H.D. Drew,
Phys. Rev. Lett. 91, 027203 (2003).
123. N. Ikeda et al., J. Phys. Soc. Jpn. 69, 1526 (2000).
124. N. Ikeda, H. Ohsumi, K. Ohwada, K. Ishii, T. Inami, K. Ka-
kurai, Y. Murakami, K. Yoshii, S. Mori, Y. Horibe, and H.
Kito, Nature 436, 1136 (2005).
125. D.L. Fox, D.R. Tilley, J.F. Scott, and H.I. Guggenheim,
Phys. Rev. B21, 2926 (1980).
126. D.V. Efremov, J. van den Brink, and D.I. Khomskii, Nature
Mater. 3, 853 (2004).
127. А.М. Кадомцева, Ю.Ф. Попов, Г.П. Воробьев, К.И. Ка-
милов, В.Ю. Иванов, А.А. Мухин, А.М. Балбашов,
ЖЭТФ 133, 156 (2008).
128. J. Schlappa, C. Schubler-Langeheine, C.F. Chang, H. Ott, A.
Tanaka, Z. Hu, M.W. Havekort, E. Schierle, E. Weschke, G.
Kaindl, and L.H. Tjeng, Phys. Rev. Lett. 100, 026406
(2008).
129. G. Catalan, Phase Transitions 81, 729 (2008).
130. W. Erenstein, N.D. Mathur, and J.F. Scott, Nature 442, 759
(2006).
131. S. Jodlauk, P. Becker, J.A. Mudosh, D.I. Khomskii, T. Lo-
renz, S.V. Streltsov, D.C. Hezel, and L. Bohaty, J. Phys.
Condens, Matter. 19, 432201 (2007).
132. А.И. Панкратц, Г.А. Петраковский, Л.Н. Безматерных,
О.А. Баликов, ЖЭТФ 246, 887 (2004).
133. Ф.Л. Звездин, С.С. Кротов, А.М. Кадомцева, Г.П. Во-
робьев, Ю.Ф. Попов, А.П. Пятаков, Л.Н. Безматерных,
Е.Н. Попова, Письма в ЖЭТФ 81, 335 (2005).
134. H. Bea, M. Gajek, M. Bibes, and A.J. Bartholemy, Phys.
Condens. Matter. 20, 434221 (2008).
135. X. Marti, F. Sanchez, V. Skumryev, V. Laukhin, C. Perrater,
M.V. Garcia-Cuenca, M. Varela, and J. Fontcuberta, J. Phys.
Condens. Matter. 20, 434220 (2008).
136. C.W. Nan, M.I. Bichurin, S.X. Dong, D. Viehland, and G.J.
Srinivasan, J. Appl. Phys. 103, 031101 (2008).
137. M. Bichurin (ed.), Proc. MEIPIC-4 (Novgorod, Russia, 16–
19 October 2001) Ferroelectrics 279-280 (2002).
138. M. Fiebig, V.V. Eremenko, and I.E. Chupis (ed.), Magneto-
electric Interaction Phenomena in Crystals (Dordrecht: Klu-
wer) Proc. MEIPIC-5 (Sudak, Ukraine, 21–24 September
2003) (2004).
139. S.-W. Cheong and M. Mostovoy, Nature Mater. 6, 13
(2007).
Progress in the study of ferroelectromagnets
(Review Article)
I.E. Chupis
The investigations of ferroelectromagnets for the
last 50 years after their discovery by G.A. Smolenskii
with collaborators are reviewed. Firstly the monocrys-
tals and the solid solutions were synthesized and the
evidence for the interaction of ferroelectric and mag-
netic subsystems was revealed. The first two colossal
magnetoelectric (ME) effects in nickel-iodine boracite
were observed. The theoretic investigations explained
qualitatively the observed ME effects and predicted
new ones. Further the crystals with electric polariza-
tion induced by a spiral magnetic structure were dis-
covered. The techniques of scientific measurements
was improved. The discovery of a new optical method
of the second harmonic generation in the end of the
XX century paved the way for new renascence in ME
researches. At present some new colossal ME effects
were discovered which showed the reality of the mu-
tual control of electric (magnetic) properties by mag-
netic (electric) field in crystal. The most significant
ME effects observed in the last few years are re-
viewed. The ferroelectromagnets with electric polari-
zation of an electron nature (compounds with mixed
valency, semiconductors) are seemed to be most pro-
missing for the future ME searching.
PACS: 75.80. +q Magnetomechanical effects, mag-
netostriction;
78.20. Ls Magneto-optical effects.
Keywords: ferroelectromagnets, magnetoelectric ef-
fects, electric polarization, magnetic moment, modu-
lated (spiral) structures.
|