Enhancing the High-temperature Chiral Magnetic State in YBaCuFeO5

Abstract

Los materiales multiferroicos magnetoeléctricos – en los que el orden magnético induce ferroelectricidad – están atrayendo mucho interés debido a la gran importancia de poder controlar el estado magnético a través de la aplicación de campos eléctricos y viceversa. Los multiferroicos magnetoeléctricos de tipo espiral (cicloidal, inducidos por el espín) constituyen una plataforma ideal para la búsqueda de sistemas que presenten un potente acoplo magnetoeléctrico ya que los órdenes de espín y ferroeléctricos se encuentran acoplados “por construcción”. La mayoría de los multiferroicos magnetoeléctricos quirales (espirales) investigados en los últimos años son imanes geométricamente frustrados, en los que la presencia de redes de espín frustradas produce temperaturas de transición espiral, TS, muy bajas (típicamente por debajo de 50 K). Esto limita sobremanera su uso potencial en dispositivos espintrónicos o de tipo magnetoeléctrico de bajo consumo. Excepcionalmente, se ha visto que la perovskita laminar YBaCuFeO5 muestra un orden magnético cicloidal a temperaturas inusualmente altas. Esta interesante excepción la convierte en uno de los compuestos multiferroicos inducidos por espín más prometedores para su explotación a alta (operacional) temperatura. En la tesis doctoral que aquí se presenta se han explorado e investigado diferentes estrategias para ajustar y optimizar las propiedades magnéticas quirales de alta temperatura en la familia de perovskitas laminares YBaBB’O5, la cual es estructuralmente simple en apariencia pero notablemente compleja en cuanto a la decisiva presencia de desorden catiónico. Esta estrategia se basa en modificar la estructura y algunos elementos físicos (como el acoplo magnético y de espín-órbita, los momentos magnéticos o la anisotropía magnética de ion aislado) a través de sustituciones catiónicas en los sitios de los metales divalente B (Cu) y trivalente B’ (Fe). Se prepararon un gran número de compuestos de las familias YBa(Cu,B)FeO5 (B: Co, Mg) y YBaCu(Fe,B’)O5 (B’: Cr, Mn) en forma de polvo policristalino o cristales de gran tamaño, las cuales fueron investigadas en profundidad mediante la combinación de diferentes técnicas, como magnetometría, espectroscopías de rayos X y difracción de rayos X y de neutrones. En resumen, (i) hemos demostrado la existencia de un método alternativo para incrementar el desorden Fe/Cu (que controla el nivel de frustración y TS) no basado en la velocidad de enfriamiento de las muestras; (ii) hemos presentado los diagramas de fase T-x para las diferentes substituciones en B y B’; (iii) hemos conseguido un gran incremento en la estabilidad de la fase de orden espiral (i.e de TS) mediante el dopaje con Co y Mg, preservando la relación lineal TS-qS para la modulación espiral; (iv) hemos obtenido un punto triple con temperatura de transición de la fase espiral máxima de TS360 K, muy por encima de temperatura ambiente, describiendo cómo aumentar la estabilidad de la espiral actuando sobre la distorsión Jahn-Teller del Cu2+; (v) hemos estudiado en detalle la competición de fases magnéticas (separación de fases) y la anisotropía magnética en función de la temperatura y el dopaje en estas familias de compuestos. La orientación de la espiral podría determinar críticamente el comportamiento ferroeléctrico y magnetoeléctrico en estos sistemas. En este sentido, hemos demostrado cómo provocar una reorientación del plano de rotación de los espines en la fase espiral mediante dopaje químico, capaz de transformar un orden más helicoidal (k//Q) hacia uno más cicloidal (k⊥Q), demostrando además que para determinados dopajes la espiral más cicloidal generada es asimismo la más estable térmicamente.

Magnetoelectric multiferroic materials, where magnetic order induces ferroelectricity are attracting high interest because of the importance of controlling magnetism by electric fields and vice versa. Spiral (cycloidal) magnetoelectric (spin-driven) multiferroics are an ideal platform for the pursuit of strong magnetoelectric coupling because spin and ferroelectric orders are coupled “by construction”. Most of the chiral (spiral) magnetoelectric multiferroics investigated in recent years are geometrically frustrated magnets, where the presence of frustrated spin networks produces low spiral transition temperatures TS (typically TS<50 K). This critically limits their potential uses in spintronic and low-power magnetoelectric devices. Exceptionally, the layered perovskite YBaCuFeO5 have been reported to display cycloidal magnetic order at unexpectedly high temperatures. This motivating exception is considered one of the most promising spin-driven multiferroic candidates at high-temperature. The doctoral Thesis presented here has explored and investigated different strategies to tune and optimize the high-temperature chiral magnetic properties in the YBaBB’O5 family of this layered perovskite, structurally simple in appearance but complex due to the decisive presence of cation disorder. The strategy is based on modifying both structural and physical elements (such as the magnetic or the spin-orbit couplings, the magnetic moments or the single-ion magnetic anisotropy) through cationic substitutions at the divalent Cu (B) and trivalent Fe (B’) sites. Many compounds of the families YBa(Cu,B)FeO5 (B: Co and Mg) and YBaCu(Fe,B’)O5 (B’: Cr and Mn) were prepared as polycrystalline or single crystal samples. They were thoroughly investigated combining magnetometry, X-ray spectroscopies, synchrotron X-ray and neutron diffraction. Summarizing, (i) we demonstrated an alternative way for increasing Fe/Cu disorder (that controls the level of frustration and TS) not based on the cooling rate. (ii) The T-x magnetic phase diagrams for these B and B’ site substitutions were built up. (iii) A huge increase in the stability of the spiral order (TS) was obtained with divalent Co and Mg dopings preserving a linear TS-qS relationship for the spiral modulation. (iv) A triple point was achieved with a maximum spiral transition temperature TS&#61627;360 K, well above RT, describing how to increase the spiral stability by acting on the Cu2+ J-T splitting. (v) We studied in detail magnetic phase competition (phase separation) and magnetic anisotropy as a function of temperature and doping in all these families. The spiral orientation may critically determine the ferroelectric and magnetoelectric behavior in these systems. We showed how to induce a systematic reorientation of the spin rotation plane in the spiral phase by doping. Changing from a more helical (k//Q) into a more cycloidal (k⊥Q) spin order, and proving that for selected dopings the most cycloidal spiral found is as well the most thermally stable.