[Zurück]

M. Schiebl:
"Dielektrische Spektroskopie der Multiferroika";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): A. Pimenov, W. Schranz; Institut für Festkörperphysik (E138), 2016.

Ferroelektrizität in einem magnetoelektrischen Multiferroikum ist verbunden mit der Entstehung von nicht inversionssymmetrischen magnetischen Strukturen. Diese Multiferroika zeichnen sich dadurch aus, dass sich deren Magnetisierung durch ein elektrisches Feld bzw. deren elektrische Polarisation durch ein magnetisches Feld beeinflussen lässt. In diesen Materialien sind die polare und die magnetische Ordnung stark aneinander gekoppelt. Diese spezielle Eigenschaft eröffnet ein ganz neues Feld von Anwendungen in Optik, elektronischer Schaltungstechnik und elektronischer Speichertechnik. Die Dynamik solch komplexer Ordnungsstrukturen kann mittels dielektrischer Antwort untersucht werden. Ein typisches Merkmal ist die Anregung von Elektro-Magnonen mittels eines elektrischen Feldes im THz-Bereich. Zudem können auch dispersive dielektrische Merkmale im Niederfrequenzbereich (<1MHz) in der Nähe des multiferroischen Phasenübergangs beobachtetwerden. Diesbezüglich wurde das Verhalten der dielektrischen Antwort von DyMnO3 im Frequenzbereich von 10Hz-1E6 Hz in der Nähe des multiferroischen Phasenübergangs untersucht. Die Ursache von Ferroelektrizität in DyMnO3 unterhalb der kritischen Temperatur liegt in der Bildung einer zykloidalen magnetischen Struktur, wobei oberhalb der kritischen Temperatur nach bisheriger wohl akzeptierter Meinung eine sinusoidale magnetische Struktur vorliegt. Die Resultate zeigen eine kritische Verlangsamung der Ordnungsparameterdynamik in der Nähe des multiferroischen Phasenübergangs. Es kann gezeigt werden, dass diese Verlangsamung als Ursache eines Ordnungs-Unordnungs Phasenüberganges gesehen werden kann, bei dem sich elektrische Dipole in einem Doppelmuldenpotential unterhalb von TC langreichweitig ordnen. Dies lässt den Schluss zu, dass die paraelektrische sinusoidale magnetischePhase oberhalb von TC als dynamisches Gleichgewicht von kurzreichweitig geordneten zykloidalen magnetischen Strukturen mit gegensätzlicher Händigkeit gesehen werden kann. Demzufolge existiert eine Kopplung zwischen Spin-und Ladungsträgerfreiheitsgraden auch oberhalb der kritischen Temperatur.

In magnetoelectric multiferroics the onset of ferroelectricity is coupled to the onset of a magnetic structure that breaks the inversion symmetry. The dynamics of such coupled ordering transition can be probed via the dielectric response of the system. Generally, the question which type of ferroelectric transition (order-disorder or displacive) applies for multiferroics is important and DyMnO3 belongs to the most prominent members of this interesting material class. In the ferroelectric state, the Mn3+ spins form a cycloidal magnetic structure whereas in the paraelectric state, a collinear sinusoidal modulated spin structure is proposed to exist. However, the exact role in the formation of multiferroicity of the so-called collinear sinusoidal magnetic state, preceding the multiferroic state under cooling, is not yet fully clarified. Detailed dielectric studies near the spin-driven ferroelectric phasetransition reveals the indication of an order-disorder type ferroelectric transition with a double well potential. This potential reflects a dynamical switching between magnetic cycloids of the opposite chirality in the vicinity of the ferroelectric phase transition boundary by applying an electric field. Several parameters of the model correlate well with physical properties of DyMnO3. Thus, the characteristic energies of magnetic ordering and the value of the static electric polarization are in agreement with known values. Most importantly, the experimental data and the simple model suggest to explain the paraelectric sinusoidal phase in rare-earth manganate as a dynamical equilibrium of cycloids with opposite chiralities. In addition to the dielectric results, this hypothesis resolve several experimental constraints which contradicted the concept of static sinusoidally modulated magnetic phase.