任壯 成龍 謝爾蓋·固瑞特斯基 那澤亞·柳博奇科 李江濤尚加敏 謝爾蓋·巴里洛 武安華 亞歷山大·卡拉什尼科娃馬宗偉 周春 盛志高?

1) (中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院, 強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心, 合肥 230031)

2) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 合肥 230026)

3) (白俄羅斯國(guó)家航空航天局, 科學(xué)實(shí)用材料研究中心, 明斯克 220072)

4) (中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所, 上海 200050)

5) (俄羅斯約飛技術(shù)研究所, 圣·彼得堡 194021)

1 引 言

因具有磁光效應(yīng)、超快磁翻轉(zhuǎn)、多鐵性和自旋重取向相變等新奇的物理特性, 稀土正鐵氧體RFeO3(R表示Y或稀土元素)已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理的熱點(diǎn)研究對(duì)象之一[1?8].RFeO3材料中有兩種磁性離子:R3+和 Fe3+離子. 它們之間存在三種磁相互作用, 分別存在于 Fe3+-Fe3+, R3+-Fe3+以及R3+-R3+之間[9?13]. 這三種作用相互競(jìng)爭(zhēng), 產(chǎn)生了豐富的磁相變. 其中一種常見(jiàn)而又有趣的磁相變就是自旋重取向, 也就是RFeO3材料中的自旋矢量會(huì)隨著溫度等外場(chǎng)變化而出現(xiàn)重新排布的現(xiàn)象[8,14?20].這一現(xiàn)象一般認(rèn)為是鐵離子(Fe3+)和稀土離子(R3+)之間的弱相互作用, 以及它們各自子格子磁性行為的不一致造成的[8,17]. 自旋重取向代表著自旋態(tài)的轉(zhuǎn)變, 不僅可以作為自旋電子學(xué)器件中信息的載體, 而且其衍生效應(yīng)可以為深入挖掘磁性物理機(jī)制提供基礎(chǔ). 為此, 自旋重取向相變成為了RFeO3研究中的重要內(nèi)容, 吸引了廣泛的關(guān)注[1,3,14,21?23].

一方面, 人們不斷探索不同RFeO3體系中自旋重取向相變的不同特征; 另一方面, 人們希望通過(guò)各種手段實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋重取向相變的調(diào)控, 比如元素?fù)诫s、外場(chǎng)調(diào)控等, 以期獲取調(diào)控規(guī)律與潛在應(yīng)用基礎(chǔ). 已有研究表明,R位的元素?fù)诫s能有效改變R3+-Fe3+交換作用能量, 從而可以調(diào)控RFeO3的自旋重取向溫區(qū)[9,19,21,24?26]. 元素?fù)诫s一般分為磁性離子摻雜和非磁性離子摻雜.RFeO3體系的磁性離子摻雜中最為典型是Sm3+離子. SmFeO3本身也在RFeO3體系中具有最高的自旋重取向溫度 (TSR約為 480 K). 目前, 人們認(rèn)為 SmxR1-xFeO3是實(shí)現(xiàn)室溫的自旋重取向的最佳材料[9,11,24,26]. 例如, Wang等[11]生長(zhǎng)了高質(zhì)量的Sm0.7Tb0.3FeO3單晶, 自旋重取向的溫區(qū)為 330—360 K. 隨后,Liu等[24]發(fā)現(xiàn)在Sm3+離子摻雜的DyFeO3單晶樣品中, 樣品的自旋重取向溫區(qū)隨著Sm3+離子摻雜濃度上升而線性上升. 對(duì)于非磁性離子摻雜, 新?lián)饺氲碾x子不會(huì)與Fe3+產(chǎn)生新的交換作用. 因此在非磁性離子摻雜的RFeO3中, 能更方便地分析Fe3+-R3+交換作用對(duì)于自旋重取向相變的影響. 在摻雜的非磁性離子中, Y3+是常見(jiàn)的一種[13,25]. 例如2018年, Li等[25]系統(tǒng)研究了不同濃度Y3+摻雜的ErFeO3單晶樣品中不同溫度磁場(chǎng)下的太赫茲(terahertz, THz)吸收譜, 證明了樣品中存在著迪克協(xié)作耦合效應(yīng).

除了摻雜(化學(xué)壓力), 磁場(chǎng)是另一種常見(jiàn)的、用于調(diào)控RFeO3中自旋重取向相變的手段[27?30].例如, Jiang等[28]利用太赫茲光譜發(fā)現(xiàn), 外加磁場(chǎng)誘導(dǎo)下的NdFeO3單晶中的自旋重取向轉(zhuǎn)變具有強(qiáng)烈的各向異性, 這取決于外加磁場(chǎng)的方向. Guo等[27]研究了TmFeO3單晶中外加磁場(chǎng)分別沿a或c軸施加時(shí), 準(zhǔn)鐵磁模式 (q-FM, quasi-ferromagnetic mode)的共振頻率上升或下降, 而準(zhǔn)反鐵磁模式(q-AFM, quasi-antiferromagnetic mode)的 共 振頻率幾乎不變. Amelin等[23]研究了YFeO3單晶中低溫磁場(chǎng)下的太赫茲吸收譜, 在3 K的溫度下沿a軸施加到6.2 T的磁場(chǎng)可以誘導(dǎo)自旋重取向轉(zhuǎn)變發(fā)生. 值得注意的是由于Y3+是非磁性離子,YFeO3中沒(méi)有產(chǎn)生溫度誘導(dǎo)的Fe3+離子的自旋重取向過(guò)程.

既然元素?fù)诫s與外加磁場(chǎng)都能有效地調(diào)控RFeO3體系中的自旋重取向相變, 那么探索兩種方法的差異與其共同作用效果是非常有意義的. 據(jù)我們所知, 這一思路還未有人提出. 本文采用太赫茲光譜, 系統(tǒng)研究了變溫條件下磁場(chǎng)、非磁性Y3+離子摻雜對(duì)HoFeO3單晶中q-FM和q-AFM的共振頻率以及自旋重取向的影響. 研究表明非磁性Y3+離子的摻入不僅能改變q-FM和q-AFM的共振頻率, 而且能移動(dòng)自旋重取向發(fā)生的溫區(qū).另外, 我們還發(fā)現(xiàn)外加磁場(chǎng)不僅能有效地調(diào)控Ho1–xYxFeO3單晶中的q-FM共振頻率, 而且還能誘導(dǎo)出自旋重取向.

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中用到的單晶HoFeO3, Ho0.8Y0.2FeO3和Ho0.6Y0.4FeO3采用助溶劑法[31]生長(zhǎng)獲得. 為了有效地獲得這些單晶樣品中自旋波及其自旋重取向過(guò)程, 本文選擇了太赫茲時(shí)域光譜(terahertz timedomain spectroscopy, THz-TDS)技術(shù). 該技術(shù)是研究磁性材料的自旋共振和自旋重取向最有效的方法之一, 并且由于THz脈沖具有非常小的光子能量 (1 THz, 約為 4.1 meV), 其熱效應(yīng)可以被忽略[14,32?35].

本文的THz-TDS光譜實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心自主研制的變溫磁場(chǎng)下THz-TDS測(cè)試系統(tǒng)中完成的. 該系統(tǒng)的溫度變化范圍為 5—350 K; 磁場(chǎng)變化范圍為 0—8 T. 系統(tǒng)所用的光源是Menlo Systems公司的飛秒光纖激光器,輸出的中心波長(zhǎng)為 780 nm, 脈沖寬度為 120 fs, 重復(fù)頻率為80 MHz. 激光被分為兩束, 一束作為THz脈沖產(chǎn)生光, 聚焦到光電導(dǎo)天線上產(chǎn)生寬譜THz脈沖. 透射的THz光通過(guò)離軸拋物鏡改變方向和第二束激光同時(shí)聚焦到厚度為2 mm, (110)取向的ZnTe晶體上, 利用電光取樣技術(shù)探測(cè)THz信號(hào). 有效的光譜范圍為 0.1—1.5 THz. 在測(cè)量過(guò)程中, THz脈沖垂直入射到樣品上, 并且所有的樣品都固定到一個(gè)直徑為2.5 mm的金屬孔上.

選取了(110)取向的 HoFeO3, Ho0.8Y0.2FeO3和Ho0.6Y0.4FeO3單晶用于THz-TDS光譜測(cè)量,厚度分別為 0.5, 0.8 和 0.8 mm, 所有的樣品都進(jìn)行了雙面拋光.

3 結(jié)果與討論

HoFeO3具有扭曲的鈣鈦礦結(jié)構(gòu), 可以用空間群來(lái)描述[16]. 其中Fe3+自旋在奈爾溫度 (TN= 647 K)以下反鐵磁有序, 由于 Dzyaloshinskii–Moriya (DM) 相互作用導(dǎo)致兩套磁亞晶格的磁化S1和S2具有約0.5°的相對(duì)傾斜角度, 并且晶體中具有兩種自旋共振模式: 準(zhǔn)反鐵磁模式(q-AFM, quasi-antiferromagnetic mode)和 準(zhǔn) 鐵磁模式 (q-FM, quasi-ferromagnetic mode)[36]. 這兩種共振模式的頻率都在THz范圍內(nèi), 因此采用THz吸收譜可以有效地探測(cè)出q-FM和q-AFM的共振頻率及其變化規(guī)律, 從而分析出樣品中的自旋狀態(tài).

HoFeO3中傾斜的反鐵磁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了非零的鐵磁凈磁矩M=S1+S2和 G 型反鐵磁磁矩L=S1–S2. 在自旋重取向轉(zhuǎn)變的溫度范圍內(nèi), HoFeO3單晶具有多個(gè)磁相變, 其中T3,T2和T1(T3

伴隨著Y3+的摻入, HoFeO3晶體中自旋態(tài)的行為略有變化. 由于Y3+具有滿殼層的電子而不顯示磁性, Y3+的摻雜可以在不引入新的磁結(jié)構(gòu)的情況下降低Ho3+-Fe3+交換作用的整體強(qiáng)度, 從而會(huì)降低自旋重取向轉(zhuǎn)變的溫區(qū)[13,23,29]. 我們采用THz-TDS透射譜詳細(xì)研究了不同Y3+摻雜濃度下的Ho1–xYxFeO3中的q-AFM和q-FM共振峰隨溫度的變化關(guān)系(圖1). 與未摻雜樣品的測(cè)試條件一致, 太赫茲脈沖的磁場(chǎng)分量與c軸平行(HTHz//c軸),在G2和G12相中激發(fā)和探測(cè)的是q-FM共振峰,而在G4相中激發(fā)和探測(cè)的是q-AFM共振峰. 為了方便, 在這里定義q-FM共振峰頻率的最低點(diǎn)為G12→G24相變的轉(zhuǎn)變點(diǎn)T2, q-AFM共振峰頻率的最低點(diǎn)為G24→G4相變的轉(zhuǎn)變點(diǎn)T1.

通過(guò)三個(gè)樣品的太赫茲光譜測(cè)量, 觀察到了Y3+摻雜對(duì)HoFeO3晶體中自旋共振頻率與自旋重取向溫區(qū)的影響. 為了更好地呈現(xiàn)出不同摻雜濃度樣品的自旋共振、自旋重取向隨溫度變化規(guī)律, 需要提取樣品中自旋波吸收譜. 由于樣品在不同溫度下的吸收率可以通過(guò)THz波穿過(guò)樣品的THz幅值ES與自由空間的THz幅值ER得出, (ES/ER)2=(1–R)2exp(–ad)[23], 其中R為反射系數(shù),a為吸收系數(shù),d為樣品厚度. 因此樣品的吸收率AS=ad=–2 ln{ES/[ER(1–R)]}. 若樣品在不同溫度下的反射率不變, 可以計(jì)算出自旋波的共振吸收譜ASW=AS–A0∝ 1–(ES/E0), 其中為E0基線. 在 Y3+摻雜為 0, 0.2, 0.4 的樣品中分別在 60, 45 和 40 K 時(shí),自旋共振吸收消失, 因此選擇這些數(shù)據(jù)作為基線.最后基線的吸收率A0可以通過(guò)去除 (ES/E0)–1中的負(fù)數(shù)值來(lái)得出. 樣品中自旋波共振吸收峰隨溫度變化關(guān)系詳見(jiàn)圖1(d)—(f). 從圖1(d)—(f)中可以清晰看到低溫區(qū)(G2相)的q-FM共振峰頻率隨著溫度的上升而下降; 高溫區(qū)(G4相)的q-AFM共振峰頻率隨著溫度的上升而上升. 這一特征對(duì)于不同摻雜濃度的樣品都是適用的.

通過(guò)進(jìn)一步觀察, 發(fā)現(xiàn)Y3+摻雜對(duì)HoFeO3晶體中自旋態(tài)的影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面. 第一個(gè)方面是對(duì)共振頻率的影響. 在 10 K 時(shí), Y3+摻雜濃度為 0, 0.2和0.4的共振峰分別出現(xiàn)在0.63, 0.61和0.50 THz,對(duì)應(yīng)激發(fā)的是Ho1–xYxFeO3中q-FM模. 這表明G2相q-FM的自旋共振頻率隨著Y3+摻雜濃度上升而下降. 當(dāng)溫度上升到 80 K時(shí), Y3+摻雜濃度為 0,0.2和 0.4的共振峰分別出現(xiàn)在 0.34, 0.37和0.42 THz, 對(duì)應(yīng)激發(fā)的是 Ho1–xYxFeO3中的 q-AFM模. 這表明G4相q-AFM的自旋共振頻率隨著Y3+摻雜濃度上升而上升. 當(dāng)溫度80 K上升至300 K時(shí) , q-AFM 共 振 峰 頻 率 分 別 從 0.34, 0.37和0.42 THz 上升至 0.56, 0.57 和 0.56 THz, 并且吸收率上升, 所有單晶都穩(wěn)定在G4相, 且它們的共振頻率基本相同.

第二個(gè)方面是對(duì)自旋重取向溫區(qū)的影響. 當(dāng)溫度從 10 K 上升至 30 K 時(shí), q-FM 共振峰頻率下降, 吸收率基本保持不變, 樣品處于G2相. 對(duì)于Y3+摻雜濃度為0, 0.2和0.4的單晶, q-FM共振峰分別在溫度大于 50, 40和 30 K 時(shí)消失, 對(duì)應(yīng)單晶中發(fā)生了G12→G24相轉(zhuǎn)變. 當(dāng)溫度繼續(xù)上升至80,55 和 45 K 時(shí), Y3+摻雜濃度為 0, 0.2 和 0.4 的 q-AFM共振峰出現(xiàn), 對(duì)應(yīng)單晶中發(fā)生了G24→G4相轉(zhuǎn)變. 這一結(jié)果表明, 0, 0.2 和 0.4 的 Y3+摻雜濃度分別可以使單晶的自旋重取向溫區(qū)從50—80 K下降至 40—55 K 再下降至 30—45 K. 為了進(jìn)一步對(duì)比Y3+摻雜對(duì)樣品自旋態(tài)的影響, 提取了HoFeO3,Ho0.8Y0.2FeO3和Ho0.6Y0.4FeO3中q-AFM和q-FM共振頻率隨溫度的變化關(guān)系, 如圖2所示. 可以清晰地看到, Y3+摻雜不僅可以降低低溫下q-FM共振峰頻率以及提升高溫下q-AFM共振峰頻率, 而且可以使得自旋重取向溫區(qū)向低溫移動(dòng).

圖 1 (a)?(c) 不同溫度下 (110)取向的 HoFeO3, Ho0.8Y0.2FeO3 和 Ho0.6Y0.4FeO3 單晶的 THz 透射譜, 入射的太赫茲磁場(chǎng)分量(HTHz)平行于晶體的c軸, 圖中紅色和藍(lán)色虛線分別幫助識(shí)別準(zhǔn)鐵磁模式(q-FM)共振峰和準(zhǔn)反鐵磁模式(q-AFM)共振峰;(d)?(f) 不同Y3+摻雜濃度單晶中的自旋波共振吸收譜隨溫度的關(guān)系. 圖中的紅色和藍(lán)色的虛線分別代表低溫下q-FM共振峰和高溫下q-AFM共振峰隨溫度的變化Fig. 1. (a)?(c) THz transmission spectra of the (110) HoFeO3, Ho0.8Y0.2FeO3, and Ho0.6Y0.4FeO3 single crystals measured at different temperatures, the incident THz magnetic component (HTHz) is aligned along c-axis of the crystal. The dashed red and blue lines are guides to the eye for identifying the quasi-ferromagnetic mode (q-FM) and quasi-antiferromagnetic mode (q-AFM) resonant peaks,respectively; (d)?(f) temperature dependence of THz spin wave resonance absorption spectra of single crystals with different Y3+doping levels. The red dotted lines in the figures represent q-FM resonant absorption peaks change with temperature at low temperature,and the blue dotted lines represent q-AFM resonant absorption peaks change with temperature at high temperature.

圖 2 Ho1–xYxFeO3 中 q-AFM 和 q-FM 共振頻率隨溫度的變化關(guān)系, 圓圈、三角和正方形標(biāo)記分別代表Y3+離子摻雜濃度為0, 0.2和0.4的(110)取向的單晶中的共振頻率Fig. 2. The temperature dependence of q-AFM and q-FM resonant frequencies in Ho1–xYxFeO3. Circle, triangle and square markers show resonant frequencies in single crystals with Y3+ dopant concentration of 0, 0.2 and 0.4.

q-AFM和q-FM共振頻率隨溫度的變化趨勢(shì)可以用各向異性能機(jī)制解釋[16]:

其中g(shù)為旋磁比;HE為交換場(chǎng);M0為飽和磁矩;Kac,Kab,Kca, 和Kcb為各向異性常數(shù). 當(dāng)溫度從T2>T> 10 K 時(shí),Kca逐漸下降, q-FM 頻率逐漸軟化. 當(dāng)T>T2時(shí),Kca接近 0, q-FM 模式共振峰消失, 單晶發(fā)生G12→G24轉(zhuǎn)變. 當(dāng)溫度T=T1時(shí),q-AFM共振峰出現(xiàn), 單晶發(fā)生G24→G4轉(zhuǎn)變, 當(dāng)樣品溫度繼續(xù)上升 300 K >T>T1時(shí),Kab增加, q-AFM頻率硬化, 樣品穩(wěn)定在G4相. 由于Y3+是無(wú)磁性的, 與 Fe3+間無(wú)交換作用, Y3+摻雜只會(huì)降低Ho3+-Fe3+交換作用能而不會(huì)改變HoFeO3中自旋重取向類型. 因此在升溫過(guò)程中, Y3+摻雜濃度越高的單晶中的Ho3+-Fe3+交換作用能會(huì)在越低溫度就降低到與Fe3+-Fe3+各向異性能相近從而發(fā)生自旋重取向. 如果采用其他離子摻雜也可能會(huì)有效改變自旋重取向溫區(qū), 例如稀土離子Sm3+摻雜, 由于在高溫下Sm3+-Fe3+交換作用能遠(yuǎn)高于Ho3+-Fe3+交換作用能[9,26], 因此可能會(huì)提升HoFeO3中自旋重取向溫區(qū); 如果采用稀土離子Dy3+摻雜, 可能會(huì)改變HoFeO3的自旋重取向類型, 如 Dy0.5Pr0.5FeO3發(fā)生了G4→G1→G2轉(zhuǎn)變, 而 DyFeO3或 PrFeO3只能分別發(fā)生G4→G1轉(zhuǎn)變或G4→G2轉(zhuǎn)變[10]. 而當(dāng)Y3+摻雜后, HoFeO3的自旋重取向溫區(qū)下降而自旋重取向類型不變, 這種現(xiàn)象與Er1–xYxFeO3中一致[13]. 而且在溫度小于 30 K 時(shí), Ho3+-Fe3+的交換作用能與Fe3+-Fe3+各向異性能間的差值會(huì)隨著Y3+摻雜濃度上升而減小, 從而導(dǎo)致了Kca的降低, 此時(shí)Y3+摻雜濃度越大, q-FM共振頻率越低;但是在溫度大于80 K后, 由于Ho3+-Fe3+的交換作用能大于Fe3+-Fe3+各向異性能, Ho3+-Fe3+的交換作用能與Fe3+-Fe3+各向異性能間的差值會(huì)增加,從而導(dǎo)致了Kab的增加, 因此相同溫度下, Y3+摻雜濃度越大, q-AFM共振頻率越高; 但是隨著溫度的繼續(xù)上升至遠(yuǎn)高于自旋重取向溫區(qū)(T= 300 K)時(shí), Ho3+-Fe3+的交換作用能降低至接近零,Kab完全取決于Fe3+-Fe3+各向異性能, 由于Fe3+-Fe3+各向異性能幾乎不隨摻雜濃度變化導(dǎo)致300 K時(shí),不同Y3+摻雜濃度的q-AFM共振頻率幾乎相等.Y3+摻雜有效降低了Ho3+-Fe3+的交換作用能導(dǎo)致高溫下Kab降低和低溫下Kca增加, 從而不僅使HoFeO3的自旋重取向溫區(qū)下降, 而且使低溫(T≤30 K)下 q-FM 共振頻率降低以及高溫 (80 K ≤T< 300 K)下 q-AFM 共振頻率提升.

在討論了Y3+摻雜濃度對(duì)Ho1–xYxFeO3單晶中自旋共振模式、自旋重取向的影響之后, 接下來(lái)探索磁場(chǎng)對(duì)該體系自旋態(tài)的作用. 我們關(guān)注的重點(diǎn)是利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)Ho1–xYxFeO3單晶發(fā)生自旋重取向, 以及發(fā)生自旋重取向過(guò)程中磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)不同Y3+摻雜濃度單晶中的q-AFM模式和q-FM模式共振峰的影響. 在RFeO3單晶中, 沿反鐵磁矢量L方向施加磁場(chǎng)通常會(huì)誘導(dǎo)自旋重取向的發(fā)生[23,27].在低溫G2相時(shí)(L//c), 沿c軸施加一定大小的磁場(chǎng)會(huì)抵消沿c軸方向的各向異性能, 從而在Kca和Kcb不為0的情況下誘導(dǎo)樣品發(fā)生G2→G4轉(zhuǎn)變, 此時(shí)q-FM頻率降至到最低點(diǎn)后消失, q-AFM出現(xiàn); 沿b軸施加磁場(chǎng)對(duì)樣品幾乎無(wú)影響;在高溫G4相時(shí)(L//a); 沿a軸施加一定磁場(chǎng)同樣會(huì)在Kac和Kab不為0的情況下誘導(dǎo)樣品發(fā)生G4→G2轉(zhuǎn)變, 此時(shí) q-AFM 消失, q-FM 出現(xiàn)并且頻率上升. 由于臨近自旋重取向溫區(qū)時(shí), q-AFM共振峰吸收率較弱, 而q-FM具有較強(qiáng)的吸收峰, 因此在G4相沿c軸施加磁場(chǎng), 發(fā)生自旋重取向后G2相的q-FM模式比較容易觀察到, 因此選擇沿a軸有投影分量的(110)方向施加磁場(chǎng).

如圖 3(a), (e), (i)所示, 當(dāng)溫度T= 20 K 時(shí),不同 Y3+摻雜濃度的 Ho1–xYxFeO3單晶均處于G2相, q-FM共振峰頻率隨著磁場(chǎng)增強(qiáng)而線性上升, 鐵磁矢量M//a且不發(fā)生翻轉(zhuǎn). 這一特征與相關(guān)文獻(xiàn)中TmFeO3和YFeO3隨磁場(chǎng)的變化一致[23,27].當(dāng)樣品處于高溫下 (約 100 K), Ho1–xYxFeO3單晶均處于G4相, 0—2.5 T 的磁場(chǎng)范圍內(nèi), 雖然 q-AFM的共振強(qiáng)度略有下降, 但其共振頻率基本保持不變 (如圖 3(d), (h), (l)所示). 這是 Ho1–xYxFeO3分別處于穩(wěn)定的G2相和G4相的情況. 當(dāng)Ho1–xYxFeO3單晶處于或接近自旋重取向溫區(qū)時(shí), 磁場(chǎng)的作用則更為有趣. 我們發(fā)現(xiàn)在這一溫區(qū)磁場(chǎng)不僅能有效調(diào)控自旋共振頻率, 還能誘導(dǎo)自旋重取向. 如圖3(b)所示, 當(dāng)未摻雜的 HoFeO3單晶在 45 K 時(shí), 隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加,G12相對(duì)應(yīng)的q-FM共振頻率緩慢減小. 當(dāng)磁場(chǎng)增加到1 T時(shí), 發(fā)生磁場(chǎng)誘導(dǎo)的自旋重取向(G12→G2)相變. 伴隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步增加,G2對(duì)應(yīng)的q-FM共振頻率增加, 這與低溫(20 K)下G2相 的 行 為 一 致 . 對(duì) 于 Y3+摻 雜 的Ho1–xYxFeO3單晶, 在小磁場(chǎng)和 45 K條件下的THz譜測(cè)量不到自旋共振模 (圖 3(f), (j)). 當(dāng)磁場(chǎng)增加到1 T時(shí),G2相對(duì)應(yīng)的q-FM共振模開始出現(xiàn). 這一現(xiàn)象表明, 1 T的磁場(chǎng)誘導(dǎo)出了自旋重取向. 隨著磁場(chǎng)進(jìn)一步增加,G2對(duì)應(yīng)的q-FM共振頻率增加. 從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出溫度越接近自旋重取向溫區(qū), 磁場(chǎng)越容易誘導(dǎo)自旋重取向的發(fā)生.這是由于溫度越接近自旋重取向溫區(qū), Ho3+-Fe3+交換作用能就越接近Fe3+-Fe3+各向異性能,導(dǎo)致各項(xiàng)異性常數(shù)Kac和Kab更接近0, 因此只需要很小的磁場(chǎng)就能誘導(dǎo)自旋重取向的發(fā)生.

圖 3 (a)?(l) Ho1–xYxFeO3單晶中在不同溫度下隨磁場(chǎng)變化的自旋波共振吸收譜, 入射的太赫茲磁場(chǎng)分量 (HTHz)平行于晶體的c軸, 外加磁場(chǎng)HDC沿晶體的[110]方向, 藍(lán)色和紅色的虛線分別表示q-AFM共振峰和q-FM共振峰隨磁場(chǎng)的變化Fig. 3. (a)?(l) Magnetic field dependence of THz spin wave resonance absorption spectra of Ho1–xYxFeO3 single crystals measured at different temperatures. The incident THz magnetic component (HTHz) is aligned along c-axis of crystals, and the external magnetic field HDC is applied along [110]axis of crystals. The blue and red dotted lines are q-AFM and q-FM resonant absorption peaks change with the applied magnetic field, respectively.

在討論完低溫相變區(qū)(T= 45 K)附近的磁場(chǎng)效應(yīng)之后, 接下來(lái)讓我們探索Ho1–xYxFeO3單晶在高溫相變區(qū)的磁控現(xiàn)象. 在70 K這一特征溫度下,未摻雜的HoFeO3單晶處于自旋重取向(G4→G24)相變的臨界狀態(tài)附近. 雖然自旋基態(tài)為G4相, 但其對(duì)應(yīng)的q-AFM自旋波強(qiáng)度很弱. 如圖3(c)所示,HoFeO3單晶在小磁場(chǎng)THz譜中不能觀察到明顯的自旋共振模. 當(dāng)磁場(chǎng)增加到 1 T時(shí),G24相對(duì)應(yīng)的 q-FM共振模開始出現(xiàn). 這表明, 1 T的磁場(chǎng)誘導(dǎo)出了自旋重取向(G4→G24)相變. 隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增加,G24對(duì)應(yīng)的q-FM共振頻率線性降低.對(duì)于 Y3+摻雜的 Ho1–xYxFeO3單晶, 情況略有不同. 如圖 2所示, 在 Y3+摻雜濃度為 0.2和 0.4的Ho1–xYxFeO3單晶中, 相變溫度T1(G24→G4)分別為55, 45 K. 因此, 70 K 溫度 (>T1)下的 Ho1–xYxFeO3單晶的自旋基態(tài)為穩(wěn)定的G4相. 如圖3(g), (k)所示, 零場(chǎng)和小磁場(chǎng)條件下的THz譜可以探測(cè)到的明顯的G4相對(duì)應(yīng)的q-AFM共振模. 隨著磁場(chǎng)增加, 該q-AFM共振模的頻率基本不變. 這與100 K條件下的磁控行為一致. 當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到1 T時(shí), Ho0.8Y0.2FeO3單晶的THz頻譜中出現(xiàn)了G24對(duì)應(yīng)的q-FM共振. 這表明, 磁場(chǎng)誘導(dǎo)出了自旋重取向(G4→G24)相變. 此時(shí)鐵磁矢量由M//c軸旋轉(zhuǎn)至M與c軸和a軸成一定夾角. 更為有趣的是,在 1.0—1.5 T 磁場(chǎng)范圍內(nèi),G4相對(duì)應(yīng)的 q-AFM共振模和G24相對(duì)應(yīng)的q-FM共振模共存(圖3(g)).這表明磁場(chǎng)誘導(dǎo)的相變是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程, 在1.0—1.5 T磁場(chǎng)范圍內(nèi), 并不是所有自旋都發(fā)生了轉(zhuǎn)向. 隨著磁場(chǎng)進(jìn)一步增加 (> 2 T), 磁場(chǎng)誘導(dǎo)的自旋重取向相變完成, 體系自旋完全處于G24相.這一過(guò)程中, 磁場(chǎng)誘導(dǎo)出的G24相所對(duì)應(yīng)的q-FM共振模的頻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而降低. 當(dāng)Y3+摻雜濃度從0.2提升至0.4, 磁場(chǎng)效應(yīng)的趨勢(shì)基本一致.不同之處在于Y3+摻雜濃度為0.4的單晶中發(fā)生自旋重取向(G4→G24)的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度(2 T)比摻雜濃度為0.2的情況(1 T)要大. 這是由于Y3+離子摻雜濃度越大, 單晶中的Ho3+-Fe3+交換能越小,各項(xiàng)異性常數(shù)Kac和Kab也越大, 這導(dǎo)致了單晶越難發(fā)生自旋重取向.

4 結(jié) 論

本文利用變溫變場(chǎng)下的THz-TDS, 系統(tǒng)研究了非磁性Y3+離子摻雜與外加磁場(chǎng)對(duì)HoFeO3單晶中自旋態(tài)以及自旋重取向的影響. 變溫THz譜表明Ho1–xYxFeO3單晶中低溫區(qū)q-FM共振頻率隨著溫度的上升而下降; 而高溫區(qū)的q-AFM共振頻率隨著溫度的上升而上升. 隨著非磁性Y3+離子的摻入, 一方面低溫q-FM共振頻率降低而高溫q-AFM共振頻率得到提升; 另一方面自旋重取向的溫區(qū)整體向低溫移動(dòng). 另外, 實(shí)驗(yàn)表明磁場(chǎng)不僅能夠有效地調(diào)控Ho1–xYxFeO3單晶中的q-FM共振頻率, 而且還能誘導(dǎo)出自旋重取向. 這一磁場(chǎng)誘導(dǎo)的自旋重取向效應(yīng)在晶體的本征自旋重取向溫區(qū)最為明顯, 其磁誘導(dǎo)效應(yīng)的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度隨Y3+離子摻雜濃度而增加. 這一摻雜效應(yīng)、磁控效應(yīng)的研究將有助于理解稀土正鐵氧體中的自旋交換作用機(jī)制, 并為場(chǎng)控器件的研發(fā)提供了相關(guān)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).