Novel phenomena in multiferroic rare-earth metal oxides

Abstract

In this thesis novel phenomena in multiferroic and magnetoelectric materials are investigated. Magnetoelectric materials are characterized by strong coupling of magnetism and electricity. This enables tuning of electric properties via magnetic fields and vice versa, which is a desired feature for many kinds of electronics. They are especially relevant for manipulation of digital information and for innovative data storage applications. Despite advances in the understanding of microscopic magnetoelectric mechanisms in multiferroic coupling, magnetoelectric switching is still difficult to realize due to different symmetry properties of ferroelectric and magnetic orders and not sufficiently strong coupling of magnetic and electric degrees of freedom.The aim of this thesis is to investigate unusual behavior of two multiferroic materials in order to improve our understanding of the properties of these exotic systems. The main experimental methods used in this thesis are measurements of the electric polarization and capacity and dynamical measurements in the terahertz and infrared regimes. In the first material studied in this thesis, belonging to the RMn2O5 (R = rare-earth ion) crystal family, a novel switching mechanism between various multiferroic states is observed. The rare earth manganites RMn2O5 are of great interest due to colossal magnetoelectric effect in TbMn2O5 and DyMn2O5 and large tunable ferroelectric polarization connected to a strong magnetoelectric coupling in GdMn2O5. In this thesis, an unusual magnetoelectric switching behavior in multiferroic GdMn2O5 is investigated. The application and subsequent removal of a magnetic field reverses the electric polarization of the material and appears together with an unusual 4-state hysteresis cycle. In this cycle, half of the spins undergo a rotation of about 90 degree each time the magnetic field is ramped leading to a full-circle rotation when applying and removing a magnetic field two times in a series. Thus, GdMn2O5 acts as a magnetic crankshaft that converts the back-and-forth variations of the magnetic field into a circular spin motion. This peculiar four-state magnetoelectric switching emerges as a topologically protected boundary between different two-state switching regimes. The influence of electric and magnetic fields on the switching process is investigated in detail. It is found that the four magnetoelectric states can be controlled through the application of constant electric voltages during the switching process which opens up new possibilities for magnetoelectric switching. In the second material, samarium iron borate SmFe3(BO3)4, we focus on the dynamics of magnetic moments. Namely, we investigate the avoided crossing of the optically active low-frequency iron magnon and the Sm quasi-spin excitations in magnetic fields. The behavior of these modes can be described using the Dicke model, a fundamental model of quantum optics, which predicts a quantum phase transition in an ensemble of non-interacting two-level quantum systems and a bosonic field when the strength of the interaction reaches a sufficiently large critical value. In this superradiant phase, the individual two-level systems begin to radiate coherently through their coupling through the bosonic field. The influence of the superradiant phase on the interaction between the Sm quasi-spin (two-level system) and the Fe spin wave (boson) is discussed and their interaction strength is tuned by varying density and population of the Sm two-level systems. The interaction strength of the two excitations reaches approx. 55% of the critical value needed for the superradiant phase transition.

In dieser Arbeit wurden neuartige Phänomene in multiferroischen und magnetoelektrischen Materialien erforscht. Magnetoelektrische Materialien zeichnen sich durch eine starke Kopplung zwischen magnetischen und elektrischen Eigenschaften aus, wodurch eine elektrische Polarisation durch Magnetfelder bzw. Magnetisierungen durch elektrische Felder induziert werden können. Aus diesem Grund sind sie von besonderem Interesse für das Schalten von digitalen Informationen, insbesondere für die Datenspeicherung. Trotz großer Fortschritte bei der Erforschung der mikroskopischen magnetoelektrischen Kopplungsmechanismen, ist es nach wie vor schwierig magnetoelektrische Umschaltprozesse zu steuern. Das liegt an den verschiedenen Symmetrie-Eigenschaften der ferroelektrischen und ferromagnetischen Ordnung, weshalb es noch weiterer Forschung bedarf. Ziel dieser Arbeit ist es die ungewöhnlichen Eigenschaften von zwei multiferroischen Materialen zu untersuchen, um physikalische Besonderheiten von solchen Systemen besser zu verstehen. Die Experimente in dieser Arbeit wurden mithilfe von statischen und dynamischen Messmethoden durchgeführt. Das Material Gadolinium Manganit GdMn2O5 hat eine starke magnetoelektrische Kopplung, wodurch seine sehr große ferroelektrische Polarisation in externen Magnetfeldern umgeschaltet werden kann. Wenn ein externes Magnetfeld unter einem ”magischen“ Winkel von etwa 10 Grad zur kristallografischen a-Achse angelegt wird, tritt eine ungewöhnliche Hysterese-Kurve mit vier verschiedenen magnetoelektrischen Zuständen auf. Der Ausgangszustand wird erst nach zweimaligem Ein- und wieder Ausschalten des Magnetfeldes erreicht. Dieser Effekt lässt sich gut durch ein semiklassische Spin-Modell erklären. Laut dem Modell rotiert die Hälfte der Spins jedes Mal um etwa 90 Grad, wenn das Magnetfeld ein- bzw. ausgeschaltet wird. Dadurch wirkt GdMn2O5 wie eine Kurbelwelle, die die lineare Veränderung des externen Magnetfeldes in eine Rotationsbewegung der Spins umwandelt. Dieser magnetoelektrische Schaltprozess findet in einer topologisch geschützten nicht-trivialen Grenzregion zwischen zwei trivialen topologischen Regionen statt, was einen Effekt wie diesen auch in anderen Materialien vermuten lässt. Darüber hinaus ist es möglich den magnetoelektrischen Schaltprozess durch das Anlegen einer konstanten elektrischen Spannung zu kontrollieren, was die Anwendungsmöglichkeiten deutlich erweitert. In dem multiferroischen Material Samarium-Eisen-Borat SmFe3(BO3)4 wird die Wechselwirkung der optisch aktiven Spinwelle (Magnon) der Eisen-Ionen mit der Samarium Quasispin-Anregung in magnetischen Feldern untersucht. Die vermiedene Kreuzung der beiden Anregungen lässt sich gut durch das Dicke-Modell beschreiben, welches zu fundamentalen Modellen der Quantenoptik zählt. Dieses Modell sagt einen Quantenphasenübergang zur sogenannten Superradianz voraus, sofern die Kopplung zwischen den beiden Moden stark genug wird. Aus diesem Grund wurde die Kopplung zwischen den beiden Resonanzen untersucht, sowie der Einfluss verschiedener Parameter auf die Kopplungsstärke erforscht. Es wurde eine Kopplungsstärke von etwa 55% der kritischen Stärke erreicht, welche für einen superradianten Phasenübergang erforderlich wäre.