Магнитоэлектрические явления в кристаллах
 +7 (495) 939-20-03
 kofms@phys.msu.ru

Спецкурсы

Магнитоэлектрические явления в кристаллах

Введите что-нибудь для фильтрации.

Лектор

Сергей Сергеевич Кротов

Профессор, д.ф.-м.н.

Аннотация

Магнитоэлектрический эффект — перекрестная взаимообусловленность магнетизма и электричества, проявляющая себя в возможности управлением электрическими (магнитными) свойствами системы, воздействуя на нее магнитным (электрическим) полем, давно привлекал общее внимание исследователей как в фундаментальном научном плане из-за притягательной возможности предсказания и обнаружения необычных физических явлений, так и периодически вдохновляя воображение исследователей, предвосхищавших его разноплановую практическую реализацию. Анализ микроскопических механизмов и количественные оценки эффекта для большинства реальных систем не давали, однако, серьезного повода для оптимизма. Особый акцент в исследованиях в последние 10 — 20 лет был сделан на таких системах, где взаимодействие между магнитными и электрическими степенями свободы приводило к появлению смешанного дальнего порядка. Это было, с одной стороны, обусловлено новыми экспериментальными возможностями, связанными с появлением усовершенствованных методов создания (роста и синтеза) новых материалов с заданными свойствами, особенно тонких пленок, широкого привлечения автоматизации и цифровой обработки результатов. С другой стороны, получили развитие и уточнение соответствующие теоретические представления. Указанное выше влияние параметров магнитного и электрического упорядочений наиболее ярко обнаруживало себя в области фазовых превращений, демонстрирую характерные особенности соответствующих смежных термодинамических восприимчивостей. В плане возможных приложений отличительной чертой этих систем является то, что в них в соответствующей области значений температур и величин магнитных и электрических полей сосуществуют ферро- (антиферро-) магнетизм и сегнетоэлектричество. Все это является многообещающим для практического использования полученных теоретических и экспериментальных результатов и дает повод обсуждать варианты конструкций маломощных и быстродействующих преобразователей и логических элементов, сенсоров, элементов памяти, устройств нового поколения для спинтроники. В спецкурсе на примере подробного изучения магнитоэлектрических свойств характерных, ставших уже модельными, кристаллических систем, рассматриваются основные микро- и макроскопические подходы для описания механизмов, обеспечивающих сосуществование магнитного и электрического упорядочений.

Программа курса

  1. Введение. Магнитоэлектрические эффекты и физика мультиферроиков.
    • Магнитоэлектрические эффекты в кристаллах.
    • Микроскопическая несовместимость (антагонизм) сегнетоэлектричества и магнетизма.
    • Возможные механизмы, способные соединить магнетизм и сегнетоэлектричество.
  2. Подходы, обеспечивающие сосуществование сегнетоэлектричества и магнетизма.
    • Независимые упорядочивающиеся системы.
    • Сегнетоэлектричество, индуцированное уединенными электронными парами.
      1. Механизм сегнетоэлектричества, индуцированного уединенными электронными парами.
      2. Мультиферроик BiFeO3.
    • Сегнетоэлектричество, наведенное спиральным спиновым упорядочением.
      1. Соображения симметрии.
        • Микроскопические механизмы. Обратное взаимодействие Дзялошинского — Мория.
      2. Экспериментальная реализация и физические системы.
        • Одномерная спирально-упорядоченная цепочка спинов.
        • Двумерная система спирально-упорядочивающихся спинов.
        • Трехмерная система спирально-упорядочивающихся спинов.
      3. Мультиферроики при комнатной температуре.
      4. Спиновые спиральные магнетики, управляемые электрическим полем.
    • 2.4. Сегнетоэлектричество в СО системах.
      1. Зарядовая фрустрация в LuFe2O4.
      2. Зарядово-орбитальное упорядочение в манганитах.
      3. Сосуществование зарядового упорядочения «на узлах» и «на связях».
      4. Зарядовое упорядочение и магнитострикция.
      5. Сегнетоэлектричество, наведенное соразмерным антиферромагнитным порядком.
  3. Элементарные возбуждения в мультиферроиках: электромагноны.
    • Теоретическое рассмотрение.
    • Электромагноны в спиновых спирально-упорядоченных манганитах (Tb/Gd)MnO3.
    • Электромагноны в фрустрированных магнетиках RMn2O5.
    • Циклоидальные электромагноны в BiFeO3.
  4. Ферротороидные системы.
    • Ферротороидное упорядочение.
    • Магнитоэлектрические эффекты в ферротороидных системах.
    • Наблюдение ферротороидных доменов.
  5. Возможные практические применения мультиферроиков.

Литература

  1. Ж. К. Толедано, П. Толедано. Теория Ландау фазовых переходов. М.: «Мир». 1994.
  2. И. Е. Дзялошинский // ЖЭТФ 19, 960 (1964).
  3. H. Schmid / Introduction to the proceedings of the 2nd international conference on magnetoelectric interaction phenomena in crystals, MEIPIC-2 // Ferroelectrics 161, 1 (1994).
  4. M. Fiebig / Revival of the magnetoelectric effect // J. Phys. D 38, R1 (2005).
  5. А. М. Кадомцева, С. С. Кротов, Ю. Ф. Попов, Г. П. Воробьев / Изучение особенностей магнитоэлектрического поведения семейства мультиферроиков RMn₂O₅ в сильных магнитных полях (Обзор) // ФНТ 32, 933 (2006).
  6. A. B. Harris / Ferroelectricity induced by incommensurate magnetism (invited) // J. Appl. Phys. 99, 08E303 (2006)
  7. A. B. Harris and G. Lawes, in The Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials, edited by H. Kronmuller and S. Parkin (Wiley, New York, 2007).
  8. S.-W. Cheong, and M. Mostovoy / Multiferroics: a magnetic twist for ferroelectricity // Nat. Mater. 6, 13 (2007).
  9. D. I. Khomskii / Classifying multiferroics: Mechanisms and effects // Physics 2, 20 (2009).
  10. K. F. Wang, J.-M. Liu, and Z. F. Ren / Multiferroicity: the coupling between magnetic and polarization orders // Adv. Phys. 58, 321 (2009).
  11. С. С. Кротов, И. В. Шнайдштейн, Феноменология магнитно-индуцированного сегнетоэлектричества. М.: Изд-во МГУ. 2011.

Другие спецкурсы программы