2014: Синхротронное излучение для магнетизма

Физиками МГУ совместно с российскими и зарубежными учеными разработан метод определения знака взаимодействия Дзялошинского-Мория с помощью дифракции синхротронного излучения, что открывает новые возможности для изучения магнетиков и мультиферроиков.

Магнетизм - спонтанное выстраивание магнитных моментов в материале - обусловлен квантовомеханическими «обменными» взаимодействиями. Межатомные взаимодействия могут быть косвенными, через возмущение окружающей среды. Например, антисимметричное суперобменное взаимодействие через лиганды -- взаимодействие Дзялошинского-Мория (ДМ) (Dzyaloshinsky, Sov. Phys. JETP 5, 1259 (1957); J. Phys. Chem. Solids 4, 241 (1958) ; T. Moriya, Phys. Rev. Lett. 4, 228 (1960); Phys. Rev. 120, 91 (1960)) - приводит к появлению слабого ферромагнетизма. Энергия взаимодействия ДМ пропорциональна векторному произведению спинов IDM~D[SixSj], где D – вектор Дзялошинского-Мория, величина и направления которого тесно связаны с локальной симметрией системы. В настоящее время взаимодействие ДМ рассматривается как ключевой элемент в физике мультиферроиков.

Новый экспериментальный метод по изучению взаимодействия ДМ разработан физиками МГУ совместно с ИК РАН, другими российскими и зарубежными учеными. Он основан на интерференции магнитного и резонансного рассеяния рентгеновских лучей, дополненной вращением антиферромагнитных моментов внешним магнитным полем. В статье, опубликованной в Nature Physics (V. 10. N. 3. Pp 202-206 (2014)), приведены первые результаты, полученные данным методом, по определению фазы магнитного рассеяния рентгеновских лучей и знака ДМ взаимодействия в кристалле FeBO3. FeBO3 является антиферромагнетиком, в котором магнитные подрешетки почти антипараллельны, но слабое «закручивание» локального окружения атомов железа за счет смещения атомов кислорода в слоях, приводит к появлению слабого ферромагнитного момента. Является ли соответствующее «закручивание» магнитных моментов «правым» или «левым», зависит от знака взаимодействия ДМ. Этот знак в FeBO3 определен в статье из экспериментальных данных и подтвержден расчетами.

Эксперимент был выполнен на станции XMaS синхротрона ESRF (Гренобль, Франция). Измерялось отражение 003, «запрещенное» для обычного рассеяния на зарядовой плотности, которое возникает благодаря резонансному и магнитному рассеянию рентгеновских лучей, амплитуды которых сравнимы при энергиях падающего излучения, близких к краям поглощения железа. Знак и амплитуда магнитного рассеяния зависят от ориентации магнитных моментов, которые можно вращать внешним магнитным полем благодаря наличию слабого ферромагнетизма. Это позволяет контролировать амплитуду и фазу магнитного рассеяния относительно опорной волны, возникающей в результате резонансного рассеяния синхротронного излучения.

В статье представлены три типа экспериментов. В первом обнаружен сдвиг резонансного пика по энергии при повороте магнитных моментов внешним полем на 180 градусов, что является результатом конструктивной (деструктивной) интерференции при энергии ниже (выше) края поглощения. Противоположный сдвиг наблюдается, когда фаза резонансного рассеяния меняется в результате вращении образца. Направление сдвига зависит от фазы магнитного рассеяния. Во втором типе экспериментов измеряется интенсивность отражения в зависимости от угла вращения образца вокруг нормали при энергиях выше или ниже края поглощения. В третьем наблюдалась азимутальная зависимость интенсивности дифракционного пика при фиксированной энергии фотонов и двух противоположных направлениях внешнего магнитного поля. Из анализа экспериментальных данных было установлено, что направления «закручивания» магнитных моментов и «закручивания», обусловленного смещением атомов кислорода в слоях, совпадают. Экспериментальные результаты подтверждаются расчетами ab initio, позволяющими вычислять знак взаимодействия ДМ и фазу магнитного рассеяния РИ. Таким образом, предлагаемые экспериментальный и теоретический методы дают новые возможности для изучения и предсказания магнитоэлектрического эффекта в мультиферроиках.

Результаты опубликованы в статье: V. E. Dmitrienko, E. N. Ovchinnikova, S. P. Collins, G. Nisbet, G. Beutier, Y. O. Kvashnin, V. V. Mazurenko, A. I. Lichtenstein & M. I. Katsnelson, "Measuring the Dzyaloshinskii–Moriya interaction in a weak ferromagnet", Nature Physics 10(3), 202-206 (2014).