High-Tc Magnetic Spirals and Fe-based Frustrated Multiferroics

Resum

Aquesta tesi recull una investigació sobre òxids magnètics frustrats que poden desenvolupar potencialment multiferroicitat a alta temperatura. L’ús d’aquests materials, amb acoblament magnetoelèctric, podria permetre baixos consums energètics en l’operació de nous dispositius d’emmagatzematge de dades així com el desenvolupament d’electrònica d’ultra baixa potència. Tanmateix, els multiferroics magnetoelèctrics són rars pel fet que els mecanismes que generen polarització elèctrica i magnètica son, en general, mútuament excloents. Aquí es presenten dues ferrites concretes: YBaCuFeO5 i ε-Fe2O3, les propietats ferroiques de les quals presenten el potencial de ser explotades a temperatura ambient o fins i tot per sobre. En els multiferroics induïts per ordre espiral, els ordres d’espí i ferroelèctric estan acoblats “per construcció”. La majoria de multiferroics magnetoelèctrics espirals investigats els últims anys són imants frustrats geomètricament o per intercanvi (exchange) amb baixes temperatures de transició (Ts50 K). L’excepcional estabilitat de l’ordre magnètic espiral en l’estructura estratificada en YBaCuFeO5 comprèn un mecanisme no convencional (“ordre espiral induït pel desordre”). Aquest original mecanisme ha estat investigat experimentalment I confrontat amb bels models teòrics estudiant un gran nombre de mostres preparades o fabricades en forma de pols policristal·lina i monocristalls. La influència del desordre catiònic Fe/Cu sobre el diagrama de fases magnètiques s’ha estudiat quantitativament mitjançant tècniques neutròniques i de radiació sincrotró. El desordre permet modificar la temperatura de transició en un marge de 200 K, fins i tot molt més enllà de temperatura ambient. S’ha aconseguit desxifrar la interacció entre el desordre, l’estabilitat i els detalls particulars de l’ordre incommensurable espiral. Així doncs, es distingeixen tres règims diferents en el diagrama de fases magnètiques vs. desordre en YBaCuFeO5, on s’estableixen límits per a Ts i la component cicloidal de l’ordre helicoidal. Els efectes sobre la xarxa cristal·lina deguts a la pressió química també s’han explorat. Com a estratègia alternativa per a la millora de les propietats en YBaCuFeO5, s’han estudiat diverses famílies de perovskites estratificades del tipus YBa(Cu,M)FeO5. L’impacte de l’acoblament entre l’ordre cristal·lí, magnètic i de tipus espí-òrbita en els diagrames de fase s’han determinat i descrits per a diferents cations M divalents substituint parcialment els ions Cu2+. L’estudi mostra com d’aquesta manera l’orientació i estabilitat de l’espiral en YBaCuFeO5, així com la component cicloidal de l’hèlix, poden ser manipulades (també en sentit invers). Les limitacions de la difracció de neutrons en mostres de pols han obligat a estudiar la naturalesa de l’ordre espiral en YBaCuFeO5 mitjançant (i) difracció de monocristalls no polaritzada, (ii) polarimetria esfèrica i (iii) difracció ressonant magnètica de raigs X. Les dades experimentals obtingudes s’han confrontat a models col·lineals modulats i no col·lineals espirals, considerant també l’anàlisi dels dominis magnètics, quirals i la resposta magnetoelèctrica. El singular acoblament magneto estructural, el ric diagrama de fases i les propietats magnètiques de la ferrita geomètricament frustrada ε-Fe2O3 també s’han investigat amb tècniques neutròniques i de radiació sincrotró. Aquest material destaca per la seva enorme coercitivitat, multiferroicitat a temperatura ambient, ressonància ferromagnètica característica, efectes magnetoòptics no lineals, acoblament magnetoelèctric, etc. La complexitat del seu magnetisme, amb varietat de fases, s’ha investigat i descrit. La naturalesa de l’ordre magnètic incommensurable, atribuït per alguns autors a un estat base espiral, s’ha explorat sense i sota camps magnètics aplicats, i s’ha reinterpretat sota la llum de models confrontats amb les dades de neutrons. Les nostres troballes il·lustren la interacció entre l’enorme anisotropia magnètica, frustració, acoblament espí-òrbita i l’estabilització de la fase ferrimagnètica superdura dins el rang dels 150-500 K.

Data del Ajut	13 de març 2023
Idioma original	Anglès
Supervisor	José Luis Garcia Muñoz (Director/a) & Javier Herrero Martin (Director/a)