Magnetic phases and magnetic phase transitions in frustrated multiferroic antiferromagnetic oxides : study by numerical simulations
Phases magnétiques et transitions de phases magnétiques dans les oxydes antiferromagnétiques frustrés multiferroiques : étude par simulations numériques
Résumé
Our study focuses on multiferroic materials that exhibit coupling between a ferroelectric order and a magnetic order. Two multiferroic compounds : CuCrO2 and Zn2FeOsO6 have been studied using the Monte Carlo method.For the CuCrO2, the magnetic phases have been investigated as a function of temperature under a magnetic field 70 T ≤ B ≤ 120 T applied according to [001]. The 3D Heisenberg mode have been considered, which is a realistic mode that takes into consideration the distortion and the exchange interaction up to the 4th neighbors, as well as magneto-crystalline anisotropy. For 70 T ≤ B < 106 T, two transitions have been found with decreasing temperature. The first, around 30 K, is a “paramagnetic ↔ up-up-down (UUD) ” transition and the second, takes place at low temperature, corresponds to a “ UUD ↔ commensurable (CY) ” transition. For 106 T ≤ B < 110 T, only one “ paramagnetic ↔ UUD ” transition exists. A single “paramagnetic ↔ V” transition is observed, for 110 T ≤ B ≤ 120 T. For 5 K ≤ T ≤ 10 K, our phase diagram is in a good agreement with that obtained experimentally in terms of phase sequences. Moreover, for B = 90 T, both transitions identified belong to the universality class of 2D Ising model.For the second compound Zn2FeOsO6, which has a double perovskite structure, the studies have been carried out by using the generalized Heisenberg model. A “paramagnetic ↔ ferrimagnetic” transition was found around 440 K by taking into consideration the isotropic exchange terms. This transition temperature decreases to 425 K with the symmetric and antisymmetric anisotropic exchange terms (DMI). The magneto-crystalline anisotropy terms only affect the spin configuration in the ground state, where the spins are oriented antiparallel in the ab plane. Finally, according to the study of linear susceptibility, the frustration increases when anisotropic exchange terms are considered.
Notre étude porte sur les matériaux multiferroïques présentant un couplage entre un ordre ferroélectrique et un ordre magnétique. Deux composés multiferroïques : CuCrO2 et Zn2FeOsO6 ont été étudiées en utilisant la méthode Monte Carlo.Pour le composé CuCrO2, nous avons étudié les phases magnétiques en fonction de la température sous champ magnétique 70 T ≤ B ≤ 120 T appliqué suivant [001]. Nous considérons le modèle de Heisenberg 3D qui est un modèle réaliste qui prend en compte la distorsion et les interactions jusqu’aux 4èmes voisins ainsi que l’ anisotropie magnéto-cristalline. Nous avons trouvé, pour 70 T ≤ B < 106 T, deux transitions qui existent en diminuant la température. La première, autour de 30 K, est une transition « paramagnétique ↔ up-up-down (UUD) » et la deuxième, a lieu à basse température, correspond à une transition « UUD ↔ commensurable (CY) ». Pour 106 T ≤ B < 110 T, une seule transition « paramagnétique ↔ UUD » existe. Pour 110 T ≤ B ≤ 120 T, une seule transition « paramagnétique ↔ V » est observée. Pour 5 K ≤ T ≤ 10 K , notre diagramme de phase est en bon accord avec celui obtenu expérimentalement en termes des séquences de phases. De plus, pour B = 90 T, nous avons constaté que les deux transitions appartiennent à la classe d’universalité du modèle d’Ising 2D.En ce qui concerne le deuxième composé Zn2FeOsO6, qui a une structure pérovskite double, nous avons effectué les études en utilisant le modèle de Heisenberg généralisé. En prenant en compte les termes d’échange isotropes, nous avons trouvé une transition « paramagnétique ↔ ferrimagnétique » autour de 440 K. Cette température de transition diminue à 425 K en prenant en compte les termes d’échange anisotropes symétriques et antisymétriques (DMI). Les termes d’anisotropie magnéto-cristalline n’affectent que sur la configuration des spins à l’état fondamental, où les spins sont orientés dans le plan ab d’une façon parfaitement antiparallèle. Enfin, nous avons montré, à partir de l’étude de la susceptibilité linéaire, que la frustration augmente en tenant en compte les termes d’échange anisotropes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)