Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. а) Обнаружено сильное (до 200 %) влияние электрического поля на начальную ас восприимчивость и намагниченность в монокристаллах SmFe3(BO3)4 при температурах ниже точки Нееля в слабых и умеренных (< 10 кЭ) магнитных полях. Зависимость восприимчивости от электрического поля оказывается нелинейной с тенденцией к насыщению с ростом поля. Показано, что положительное электрическое поле вызывает увеличение восприимчивости, измеренной вдоль оси а, и уменьшение восприимчивости вдоль оси b. Отрицательное же электрическое поле уменьшает восприимчивость вдоль оси а и увеличивает вдоль b-оси. Предложена модель, количественно описывающая наблюдаемые эффекты, которая включает магнитоэлектрический вклад в анизотропию в базисной плоскости в дополнение к магнитоупругому, кристаллическому и зеемановскому вкладам. Электрическое поле вызывает перераспределение спинов железа в базисной плоскости: поле E>0 способствует переориентации спинов железа в сторону оси b, а E<0 разворачивает спины к оси а. 1) б) Выполнены квазиоптические терагерцовые исследования магнитных возбуждений во взаимодействующих Fe- и Nd-подсистемах в ферроборате Nd1-xTbxFe3(BO3)4 (х=0.1) в магнитном поле H||a-оси. При H=0 в области Nd-моды (370 ГГц), определяемой расщеплением крамерсовского дублета Nd3+ обменным полем железной подсистемы, обнаружено вращение плоскости поляризации, которое обусловлено естественной оптической активностью. В магнитном поле H||a-оси исследована эволюция Fe и Nd мод и связанных с ними динамических магнитоэлектрических эффектов. Установлено, что в области высокополевой моды АФМР ν2Fe наблюдается заметное вращение плоскости поляризации. Получены полевые зависимости угла поворота плоскости поляризации и эллиптичности. Показано, что это вращение поляризации меняет знак при инверсии поля и обусловлено гиротропным двулучепреломлением. В области Nd моды в поле H||a также обнаружен этот эффект. Проведены нейтронографические исследования магнитной структуры монокристаллов замещенных мультиферроиков-ферроборатов Nd0.9Tb0.1Fe3(BO3)4 и Nd0.8Tb0.2Fe3(BO3)4 и выполнена обработка данных. Показано, что небольшое замещение Nd на сильно анизотропный ион Tb приводит к переориентации основного вектора антиферромагнетизма L от базисной плоскости к гексагональной оси. При низких температурах (2К) выявлено нарушение чисто коллинеарного антиферромагнитного спинового упорядочения спинов Fe и появление дополнительных (тонких) компонент разрешаемых симметрией. 2) Выполнены нейтронно-дифракционные исследования магнитной структуры монокристаллов исходного и замещенного алюминием составов браунмиллерита Ca2Fe2-xAlxO5 (х=0 и 0.9) в институте Лауэ-Ланжевена (Гренобль). а) Определена магнитная структура в незамещенном составе слабого ферромагнетика Ca2Fe2O5 при температурах 300 К, 200 К, 100 К и 2К, которая имеет симметрию Pcm'n' со спинами ориентированными вдоль оси с. Полученные результаты свидетельствуют о том, что магнитная структура Ca2Fe2O5 ведет себя классическим образом (с насыщением магнитных моментов) и сохраняется неизменной вплоть до самых низких температур. б) Измерены температурные и полевые (H||c-оси) зависимости ряда рефлексов в монокристалле мультиферроика Ca2Fe1.1Al0.9O5, где имеет место спонтанная переориентация спинов от а-оси к оси с в интервале 50-110 К, а также проведено накопление данных для ряда температур и полей. Предварительная обработка данных по температурной и полевой зависимостям 3-х рефлексов показала наличие ожидаемой спонтанной и индуцированной полем H||c спиновой переориентации. 3) CuO является известным бинарным мультиферроиком с высокой температурой перехода в мультиферроидное состояние, который активно исследовался в последние годы. По сравнению с другими прототипами мультиферроиков с магнитоиндуцированной поляризацией в CuO широко дебатируется (как экспериментально, так и теоретически) природа и даже само существование высокотемпературной несоизмеримой параэлектрической фазы (AF3), поскольку она стабильна только в узком интервале нескольких десятых долей градуса ниже температуры Нееля (230 K). До сих пор не существует доказательств существования этой принципиальной фазы методами нейтронной дифракции из-за очень малого упорядоченного магнитного момента Cu. Нами продемонстрирован огромный потенциал сферической нейтронной поляриметрии, во-первых, для обнаружения тонких изменений магнитной структуры, которые не проявляются или слабо проявляются в обычной интенсивности нейтронных пиков, и, во-вторых, в установлении типа спинового упорядочения в гипотетической (до недавних пор) фазе AF3 в мультиферроике CuO. На основе анализа полученных данных мы предполагаем сосуществование в фазе AF3 двух волн спиновой плотности, возникающих из-за случайного вырождения энергетических состояний двух соответствующих параметров порядка, которое предполагает наличие тонкого энергетического баланса в спиновом гамильтониане. На основе симметрийного подхода в рамках теории Ландау развита феноменологическая теория и проанализированы возможные спиновые состояния и фазовые диаграммы системы. 4) Методом молекулярного поля в соединениях Fe-лангаситов (Ba3NbFe3Si2O14, Ba3TaFe3Si2O14 и Sr3TaFe3Si2O14) проведено описание их треугольной (120º) несоразмерной магнитной структуры с волновым вектором k≈(0,0,1/7). Показано, что наличие одноионной анизотропии приводит к искажению магнитной спирали и возникновению гармоник 2k и 3k. С учетом основного состояния магнитной структуры Fe-ланагситов, на примере соединения Ba3NbFe3Si2O14, смоделирована эволюция магнитной структуры при различных ориентациях внешнего магнитного поля и показано наличие спин-флоп перехода в полях ~7Т ориентированных в базисной ab-плоскости или при небольших отклонениях от нее. В рамках развитой модели магнитной структуры Fe-лангаситов и с учетом допускаемых симметрией пространственной группы Р321 инвариантов магнитоэлектрических взаимодействий, проведено моделирование полевых и ориентационных зависимостей электрической поляризации. 5) С целью поиска новых магнитоэлектрических соединений методом зонной плавки выращены Co-замещенные гексаферриты М-типа SrCoxFe12-xO19 (0<x<1), где конкуренция магнитных анизотропий Fe и Co может приводить к возникновению конусных магнитных структур, проявляющих ферроэлектрические свойства. Микроструктурный и рентгенофазовый анализы показали, что до концентраций кобальта х  0.3 вырастают однофазные кристаллы М-типа. Магнитные измерения свидетельствуют об изменении с ростом содержания Co характера магнитной анизотропии при низких температурах от одноосной, присущей нелегированному SrFe12O19, к легкоплоскостному при x > 0.3. В соединениях с х  04 при повышении температуры происходит спин-переориентационный переход снова к одноосной структуре, что косвенно подтверждает формирование в кристаллах структуры W- типа. Из-за довольно низкого электросопротивления кристаллов проведение магнитоэлектрических измерений оказалось невозможным.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Показано, что в кристаллах SmFe3(BO3)4 электрическое поле Е оказывает сильное влияние и на электрическую поляризацию: положительное поле увеличивает спонтанную электрическую поляризацию вдоль оси а (Pa(0)), а отрицательное поле приводит к возникновению отрицательной Pa(0). В полном соответствии с результатами магнитных измерений это воздействие обусловлено перераспределением спинов железа (векторов антиферромагнетизма) в базисной плоскости: E>0 способствует перераспределению спинов железа в сторону оси b, а E<0 разворачивает спины железа в сторону оси а. Усовершенствована ранее разработанная модель, описывающая влияние электрического поля на магнитные характеристики SmFe3(BO3)4, что позволило количественно описать зависимость электрической поляризации от электрического и магнитного полей, а также температуры. Такие же, хотя и более слабые, эффекты воздействия электрического поля на магнитные характеристики и электрическую поляризацию наблюдались и для замещенных составов La1-xSmxFe3(BO3)4 (х=0.5 и 0.25). Обнаружено аналогичное влияние электрического поля на намагниченность HoFe3(BO3)4 в области легкоплоскостного упорядочения магнитных моментов (T>5 К), однако относительное изменение намагниченности оказалось существенно меньшим. 2. Исследованы спектры магнитных возбуждений ферроборатов-мультиферроиков Nd1-xTbxFe3(BO3)4 с помощью неупругого рассеяния нейтронов, где замещение ионов Nd3+ на сильно анизотропные (изинговские) ионы Tb3+ (10-20%) изменяют магнитную структуру от легкоплоскостного (x=0) состояния до одноосного. Получена полная картина эволюции спектров магнитных возбуждения при таком переходе. Установлено, что каждая магнитная структура характеризуется гибридизованными спин-волновыми Fe- и R-модами, которые включают как квазиакустические, так и квазиоптические (обменные) Fe-ветви, а также Nd-ветви. Последние определяются обменным Nd-Fe взаимодействием и соответствующим расщеплением основного дублета иона Nd3+. Проведено моделирование дисперсии магнитных возбуждений в Nd1-xTbxFe3(BO3)4 в рамках теории спиновых волн c помощью программного пакета SpinW, которое позволило определить параметры обмена Fe-Fe и Nd-Fe и их иерархию, в частности, преобладание внутри цепочечных Fe-Fe взаимодействий над межцепочечными. Получено хорошее согласие частот мод в центре зоны Бриллюэна с соответствующими данными по терагерцовой спектроскопии. Для выяснения взаимосвязи между магнитными характеристиками и структурными свойствами ферроборатов, обусловленными инверсионными двойниками, исследована киральность двух образцов Nd0.9Tb0.1Fe3(BO3)4, проявляющих разный характер спин-флоп перехода (одноступенчатый и двухступенчатый). Эксперименты на поляризованных нейтронах проведены в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле на диффрактометре D3. Проведенные измерения коэффициентов спин-флип асимметрии для ряда рефлексов в обоих образцах оказались в пределах точности эксперимента близкими друг к другу, что указывает на одинаковое соотношение инверсионных двойников. Это свидетельствует об отсутствии влияния двойниковой структуры на характер спин-флоп переходов. 3. Нейтронографические исследования монокристаллов исходного и замещенного алюминием составов браунмиллерита Ca2Fe2-xAlxO5 (х=0 и 0.9) показали, что что магнитная структура Ca2Fe2O5 ведет себя классическим образом (с насыщением магнитных моментов) и сохраняется неизменной вплоть до самых низких температур, а кристалл с х=0.9 претерпевает спонтанную и индуцированную полем H||c спиновую переориентацию. Магнитные измерения в полях до 14 Т позволили уточнить Н-Т магнитную фазовую диаграмму кристалла Ca2Fe1.2Al0.8O5, в котором при изменении температуры и под действием поля H||a также происходит переориентация спинов железа от оси а к с-оси через промежуточную угловую структуру. 4. В терагерцовых спектрах слабого ферромагнетика Ca2Fe2O5 помимо классических мод антиферромагнитного резонанса (квазиферромагнитной ~14 см-1 и квазиантиферромагнитной ~ 44 см-1 ) обнаружены на частоте ~ 74 см-1 новые спиновые моды, возбуждаемые как магнитным, так и электрическим полями. Наличие электроактивной спиновой моды в центросимметричном кристалле связано с ионами железа в нецентросимметричных позициях 4с, в которых эта мода может возбуждаться как магнитной, так и электрической компонентой переменного поля. По условиям возбуждения мода идентифицирована как квазиантиферромагнитная обменная и обусловлена обменным расщеплением основного состояния ионов Fe2 в позициях 4с. Для разбавленного состава Ca2Fe2-xAlxO5 с номинальной концентрацией x = 0.8 и нецентросимметричной структурой была обнаружена мода антиферромагнитного резонанса. В области спиновой переориентации при T~ 120 K от a-оси кристалла при высоких температурах к c-оси происходит смена условий возбуждения указанной моды от h||c к h||a. Оно наглядно проявляется в спектрах разной поляризации уменьшением или возрастанием интенсивности соответствующей резонансной линии при этом переходе. В составе Ca2Fe1.2Al0.8O5 обнаружена мода антиферромагнитного резонанса. При температуре порядка ~ 120 K происходит спиновая переориентация. В результате этого происходит смена условий возбуждения резонансной моды, что наглядно проявляется в спектрах уменьшением интенсивности соответствующей линии при переходе в одной поляризации и появлении вклада в другой. 5. Проведено теоретическое исследование динамики спинов в перовскитоподобных мультиферроиках с однородным магнитным порядком в присутствии внешних магнитных и электрических полей. Примером такого материала является BiFeO3, в котором спиновая циклоида может быть подавлена приложением внешнего магнитного поля, легированием или эпитаксиальной деформацией. Предложена модель для BiFeO3, в которой термодинамический потенциал определяется терминах поляризации P, антиферродисторсии Ω, антиферромагнитного момента L и намагниченности М. Получены соответствующие уравнения движения этих величин, найдены резонансные частоты и продемонстрировано существование электромагнонов. Эти возбуждения тесно связаны с магнитоэлектрическим эффектом и динамикой антиферродисторсии Ω. Показано, что влияние внешнего электрического поля на спектры магнонов обусловлено переориентацией поляризации Р и антиферродисторсии Ω под действием электрического поля и связано с возникновением индуцированной полем анизотропии. 6. В лангаситах легированных гольмием, HoxLa3−xGa5SiO14, обнаружено загадочное сочетание линейных и сильно нелинейных магнитоэлектрических эффектов в неупорядоченном парамагнитном состоянии, при которых его электрическая поляризация вдоль с-оси линейно растет с магнитным полем, и в то же время многократно осциллирует при вращении магнитного поля в плоскости ab или в плоскости ac. Установлены механизмы этого необычного эффекта, которые обусловлены взаимодействием с электрическим полем мультипольных моментов редкоземельных ионов, распределенных в трех магнито-неэквивалентных позициях в кристалле, что позволило объяснить и количественно описать эти явления.