 |
Electric control of the optical magnetoelectric effect in multiferroics
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
122879 |
| Type |
ANN |
| Principal investigator |
Bordács, Sándor |
| Title in Hungarian |
Optikai magnetoelektromos effektus vezérlése elektromos mező segítségével |
| Title in English |
Electric control of the optical magnetoelectric effect in multiferroics |
| Keywords in Hungarian |
multiferroikus anyagok, magnetoelektromos effektus, reciprocitás sértő fényterjedés |
| Keywords in English |
multiferroics, magnetoelectric effect, non-reciprocal light propagation |
| Discipline |
| Solid-state Physics (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Solid state physics |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Department of Physics (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Balla, Péter
Butykai, Ádám
Farkas, Dániel Gergely
Kézsmárki, István
Szaller, Dávid
Szász, Krisztián
Vit, Jakub
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2020-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
31.920 |
| FTE (full time equivalent) |
7.85 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pályázat célja optikai gerjesztések elektromos térrel történő vezérlésének vizsgálata multiferroikus, egyszerre ferroelektromos és mágneses rendeződéssel bíró anyagokban. Ezen vegyületek különlegessége, hogy mágneses térrel az elektromos polarizációjuk változtatható, valamint elektromos tér segítségével pedig a mágnesezettségük modulálható. Ez a magnetoelektromos effektus, mely csak az inveziós és időtükrözési szimmetriát egyaránt sértő anyagokban megengedett, nagy mértékben felerősödik, multiferroikus anyagokban a két hosszútávú rend együttes jelenléte miatt. Korábbi megfigyeléseink szerint nem csak a sztatikus magnetoelektromos effektus, hanem a véges frekvenciás optikai magnetoelektromos effektus is jelentős ezekben az anyagokban, az egyszerre elektromos és mágneses dipól aktív gerjesztések közelében pedig új optikai effektusok jelennek meg. Ezen magnetoelektromos gerjesztések prototípusa az ún. elektromagnon gerjesztés, mely a multiferroikus anyagok mágnesesen rendezett alapállapotának elektromos dipól aktív kollektív gerjesztése.
Az elektromágneses sugárzás polarizációját és terjedését az optikai magnetoelektromos csatoláson keresztül feszültség jelekkel tervezzük modulálni a spin gerjesztések közelében. Várakozásunk szerint a külső elektromos tér jelentős mérékben befolyásolja ezen anyagok abszorpció és polarizáció forgatás spektrumait. Kísérleteinkkel olyan nem-triviális jelenségeket szeretnénk demonstrálni, mint a reciprocitást sértő fényterjedést, mely a multiferroikus anyagok mikrohullámú és terahertz (THz) tartományú alkalmazásában nyithat új lehetőségeket.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás alapkérdése, hogy elektromos térrel lehetséges-e multiferroikus anyagok optikai tulajdonságait befolyásolni. Az eddigi kutatásokban főként a mágneses tér optikai magnetoelektromos effektusra gyakorolt hatását vizsgálták, és ahogyan a pályázók korábbi munkái is megmutatták, a multiferroikus anyagok THz tartományú gerjesztései jelentősen megváltoztathatóak külső mágneses tér segítségével. Mivel a mágneses és ferroelektromos rendeződések erősen csatoltak ezekben a vegyületekben azt várjuk, hogy elektromos tér segítségével is befolyásolni tudjuk a polarizáció elforgatás és fényterjedési irányfüggő abszorpció spektrumokat. Transzmisszió, polarizációforgatás és lineáris kettőstörés spektrumok elektromos tér függésének vizsgálatával számos multiferroikus anyagot tervezünk vizsgálni a pályázatban.
A fenomenológikus leíráson túl az elektromos tér által létrehozott változások mikroszkopikus okait is tanulmányozzuk. Két anyagcsalád - orthorhombos ritkaföldfém manganátok valamint akermanátok - optikai válaszfüggvényeinek összevetését tervezzük. A manganátokban a cikloidális spin szerkezet töri meg a magas hőmérsékletű kristályszerkezet inverziós szimmetriáját az ún. inverz Dzyaloshinskii-Moriya kölcsönhatáson keresztül, míg az akermanátokban az átmenetifém rácshelyeken fellépő spin-polarizáció csatolás hozza létre a magnetoelektromos effektust. A tervezett szisztematikus kísérletek alapján az optikai tulajdonságok leghatékonyabb vezérlési módját szeretnénk felderíteni. Az elektromos mezőn kívül más külső hatások, mint például forgó mágneses tér és mechanikai feszültség, szerepét is vizsgálni fogjuk, hogy jobban megérthessük az optikai magnetoelektromos csatolás eredetét.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az elmúlt években a multiferroikus, egyszerre ferroelektromos és mágneses anyagokban megfigyelhető erős magnetoelektromos csatolást nagy érdeklődés övezi, mivel számos szokatlan optikai jelenséget eredményez, mint például fény terjedésiiránytól függő abszorpció vagy óriási polarizáció forgatás. Míg a fény intenzitásának és polarizációjának mágneses térrel történő modulációját kimutatták multiferroikus anyagokban, addig elektromos térrel történő manipulációjukat, mely gyakorlati alkalmazások szempontjából kívánatos lenne, még nem vizsgálták. Mágneses térhez képest az elektromos terek alkalmazása kisebb méretű és kevesebb energiát disszipáló eszközök kifejlesztéséhez segíthet hozzá. A multiferroikus anyagok további előnye, hogy az elektromagnon gerjesztéseik tipikus frekvenciája a THz tartományba esik, mely a jövőbeli elektronikai eszközök várható frekvencia tartománya. Tehát a dinamikus magnetoelektromos csatolás vizsgálata fundamentálisan új lehetőséget ad a meglévő mikroelektronikai és optoelektronikai eszközök fejlesztésére.
Alapkutatási szempontból a tervezett kutatás a magnetoelektromos gerjesztések és a multiferroikus anyagok mágneses szerkezetének elektromos térrel történő hangolásának jobb megértéséhez járul hozzá. A kísérleti eredmények segítségével szétválaszthatók a szimmetrikus és antiszimmetrikus kicserélődési kölcsönhatások, valamint az egy-ion anizotrópia magnetoelektromos csatolásra gyakorolt hatásai.
A pályázó Bécsben és Budapesten működő csoportok olyan mérföldkőnek tekinthető eredményekkel járultak hozzá a terület fejlődéséhez, mint az elektromagnon gerjesztések, vagy a terjedési irányfüggő abszorpció multiferro anyagokban történő első kísérleti megfigyelése. A két csoport magnetoelektromos gerjesztések vizsgálatában, valamint THz, távoli-infravörös és optikai spektroszkópiában szerzett tapasztalatai nemzetközi szinten is kiváló lehetőséget adnak a tervezett program végrehajtására.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Ebben a kutatási programban feszültség jelek ún. multiferroikus anyagok optikai tulajdonságaira gyakorolt hatásait fogjuk vizsgálni. Ezek a vegyületek egyszerre ferroelektromosak és mágnesesek, melynek következtében új funkciókkal rendelkeznek: ferroelektromos polarizációjuk mágneses térrel, míg a mágnesezettségük elektromos térrel vezérelhető. A pályázó Bécsben és Budapesten működő csoportok elsőként demonstrálták, hogy a multiferroikus anyagokban csatolt mágnesezettség és polarizáció hullámok (elektromagnonok) alakulhatnak ki, melyek új optikai jelenségeket hoznak létre, úgy mint óriási fény polarizáció elfordulás vagy a fény terjedési irányától függő abszorpció. Eddig főként mágneses teret használtak ezen anyagok optikai tulajdonságainak változtatására, azonban elektromos térrel történő manipulációjukat, mely gyakorlati alkalmazások szempontjából kívánatos lenne, még nem vizsgálták. Mágneses térhez képest az elektromos terek alkalmazása kisebb méretű és kevesebb energiát disszipáló eszközök kifejlesztéséhez segíthet hozzá. A multiferroikus anyagok további előnye, hogy az elektromagnon gerjesztéseik tipikus frekvenciája a terahertz (THz) tartományba esik, mely a jövőbeli elektronikai eszközök várható frekvencia tartománya. Tehát a dinamikus magnetoelektromos csatolás egy fundamentálisan új lehetőséget ad a meglévő mikroelektronikai és optoelektronikai eszközök fejlesztésére.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Here, we aim to investigate the electric field control of the excitations in materials with coexisting ferroelectric and magnetic orders, called as multiferroics. In these compounds magnetic field can induce ferroelectric polarization, and vice-versa electric field can control magnetization. These magnetoelectric effects are allowed whenever the time-reversal and the inversion symmetries are simultaneously broken, but they are strongly enhanced in multiferroics due to the presence of long range orders. According to our previous observations not just the static magnetoelectric effect, but also its finite frequency counterpart is significant in multiferroics, i.e. the combined electric and magnetic dipole allowed excitations lead to novel optical phenomena. A prototype of such excitation is the electric dipole active collective mode of the magnetically ordered ground states in multiferroics, termed as electromagnon.
We are going to study the voltage-control of the propagation and the polarization of electromagnetic radiation via the optical magnetoelectric coupling. We expect to detect sizeable electric field induced changes in the absorption and polarization rotation spectra. These experiments will demonstrate several non-trivial optical effects, like asymmetric forward/backward propagation of light, and can pave the way for applications of multiferroics in microwave and terahertz (THz) photonics.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The main question of this research program is if effective electric field control of the optical properties can be achieved in multiferroics. So far mostly the magnetic field effect on the optical magnetoelectric effect has been studied and the applicants demonstrated that indeed the external magnetic field drastically changes the terahertz (THz) optical properties such as polarization rotation or non-reciprocal absorption anisotropy. As the magnetic and ferroelectric orders are strongly coupled in multiferroics we expect that electric fields should have similar effects. By measuring the electric field dependence of the transmission, polarization rotation and linear optical anisotropy spectra we will study various excitations of multiferroics.
In order to go beyond the phenomenology the microscopic mechanism behind the electric field induced changes will be studied. We will compare the optical response spectra of two material families: rare-earth orthorhombic manganites and akermanites. In manganites the cycloidal spin structure breaks the inversion symmetry via the so-called inverse Dzyaloshinskii-Moriya interaction, while in akermanites an on-site spin-polarization coupling term induces the magnetoelectric effect. From the planed systematic studies we aim to identify the most promising ways for the voltage control of the optical properties. Beside electric field the effect of other external stimuli such as strain and the rotation of magnetic fields will also be studied which can help to clarify the origin of the electric field effects.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
In multiferroics which are novel materials with coexisting ferroelectric and magnetic orders, the strong dynamic magnetoelectric coupling has attracted much interest recently as it gives rise to several unusual optical phenomena like the non-reciprocal light propagation or giant polarization rotation. While the modulation of the intensity and polarization of light by external magnetic fields have been demonstrated in multiferroics, their electric field control, which are highly desirable for real applications, remain an experimental challenge. Compared to magnetic fields electric field effects would allow miniaturization and reduction of the dissipated power in novel electro-optic devices. Another advantage of multiferroics is that the characteristic frequencies of their unconventional magnetoelectric excitations lie in the terahertz (THz) spectral range, i.e. in the working frequency range of future electronics. Therefore, dynamic magnetoelectric phenomena provide a fundamentally new concept to improve existing technologies and to develop novel devices for microelectronics and light control.
From a basic research point of view this study can give new insight into the coupling between magnetoelectric excitations and static electric fields. The planned research will allow to disentangle the role of symmetric and antisymmetric exchange interactions, and magnetic anisotropies in the optical magnetoelectric effect and in its voltage control.
The groups in Vienna and Budapest were the first who demonstrated the existence of electromagnon excitations and non-reciprocal light propagation for spin excitations in multiferroics, respectively. The experience of the groups in the study of optical magnetoelectric phenomena and also in THz, far-infrared and optical spectroscopy provides a good starting point for the execution of the present proposal.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
In this proposal we aim to study the voltage control of the optical properties in so-called multiferroic materials. These compounds show magnetism and ferroelectricity at the same time which leads to novel functionalities such as magnetic field control of the ferroelectric polarization and electric field manipulation of the magnetism. The groups in Vienna and in Budapest demonstrated that a coupled wave of ferroelectricity and magnetism can propagate in multiferroics and this wave results in new optical properties, as well, such as large rotation of the light polarization and light propagation dependent optical absorption. So far mostly external magnetic fields have been used to manipulate the optical functionalities of these materials, however, their electric field control, which are highly desirable for real applications, remain an experimental challenge. Compared to magnetic fields electric field effects would allow miniaturization and reduction of the dissipated power in novel electro-optic devices. Another advantage of multiferroics is that the characteristic frequencies of their unconventional magnetoelectric excitations lie in the terahertz (THz) spectral range, i.e. in the working frequency range of future electronics.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| J. Vít, J. Viirok, L. Peedu, T. Rõõm, U. Nagel, V. Kocsis, Y. Tokunaga, Y. Taguchi, Y. Tokura, I. Kézsmárki, P. Balla, K. Penc, J. Romhányi, S. Bordács: Terahertz detection of in-situ switching between antiferromagnetic domains in the multiferroic Ba2CoGe2O7, arXiv:2101.10045, 2021 | | D. Szaller, K. Szász, S. Bordács, J. Viirok, T. Rõõm, U. Nagel, A. Shuvaev, L. Weymann, A. Pimenov, A.A. Tsirlin, A. Jesche, L. Prodan, V. Tsurkan, I. Kézsmárki: Magnetic anisotropy and exchange paths for octa- and tetrahedrally coordinated Mn2+ ions in the honeycomb multiferroic Mn2Mo3O8, arXiv:2009.11683, 2020 | | Rõõm T., Viirok J., Peedu L., Nagel U., Farkas D. G., Szaller D., Kocsis V., Bordács S., Kézsmárki I., Kamenskyi D. L., Engelkamp H., Ozerov M., Smirnov D., Krzystek J., Thirunavukkuarasu K., Ozaki Y., Tomioka Y., Ito T., Datta T., Fishman R. S.: Magnetoelastic distortion of multiferroic BiFeO3 in the canted antiferromagnetic state, PHYSICAL REVIEW B 102: (21) 214410, 2020 | | Szaller D, Szasz K, Bordacs S, Viirok J, Room T, Nagel U, Shuvaev A, Weymann L, Pimenov A, Tsirlin AA, Jesche A, Prodan L, Tsurkan V, Kezsmarki I: Magnetic anisotropy and exchange paths for octahedrally and tetrahedrally coordinated Mn2+ ions in the honeycomb multiferroic Mn2Mo3O8, PHYSICAL REVIEW B 102: (14) 144410, 2020 | | Bordacs S, Farkas DG, White JS, Cubitt R, DeBeer-Schmitt L, Ito T, Kezsmarki I: Magnetic Field Control of Cycloidal Domains and Electric Polarization in Multiferroic BiFeO3, PHYS REV LETT 120: (14) Paper 147203. 5 p. , 2018 | | Kocsis V, Bordacs S, Deisenhofer J, Kiss LF, Ohgushi K, Kaneko Y, Tokura Y, Kezsmarki I: Strong magneto-optical effects in ACr(2)O(4) (A = Fe, Co) spinel oxides generated by tetrahedrally coordinated transition metal ions, PHYS REV B 97: (12) Paper 125140. 8 p. , 2018 | | Kocsis Vilmos, Penc Karlo, Rõõm Toomas, Nagel Urmas, Vít Jakub, Romhányi Judit, Tokunaga Yusuke, Taguchi Yasujiro, Tokura Yoshinori, Kézsmárki István, Bordács Sándor: Identification of Antiferromagnetic Domains Via the Optical Magnetoelectric Effect, PHYS REV LETT 121: (5) Paper 057601. , 2018 | | Okamura Y., Seki S., Bordács S., Butykai Á., Tsurkan V., Kézsmárki I., Tokura Y.: Microwave Directional Dichroism Resonant with Spin Excitations in the Polar Ferromagnet GaV 4 S 8, PHYSICAL REVIEW LETTERS 122: (5) 057202, 2019 | | Padmanabhan P., Sekiguchi F., Versteeg R. B., Slivina E., Tsurkan V., Bordács S., Kézsmárki I., van Loosdrecht P. H. M.: Optically Driven Collective Spin Excitations and Magnetization Dynamics in the Néel-type Skyrmion Host GaV 4 S 8, PHYSICAL REVIEW LETTERS 122: (10) 107203, 2019 | | Peedu L., Kocsis V., Szaller D., Viirok J., Nagel U., Rõõm T., Farkas D. G., Bordács S., Kamenskyi D. L., Zeitler U., Tokunaga Y., Taguchi Y., Tokura Y., Kézsmárki I.: Spin excitations of magnetoelectric LiNiPO 4 in multiple magnetic phases, PHYSICAL REVIEW B 100: (2) 024406, 2019 | | Viirok J., Nagel U., Room T., Farkas D. G., Balla P., Szaller D., Kocsis V, Tokunaga Y., Taguchi Y., Tokura Y., Bernath B., Kamenskyi D. L., Kezsmarki I, Bordacs S., Penc K.: Directional dichroism in the paramagnetic state of multiferroics: A case study of infrared light absorption in Sr2CoSi2O7 at high temperatures, PHYSICAL REVIEW B 99: (1) 014410, 2019 | | Neuber Erik, Milde Peter, Butykai Adam, Bordacs Sandor, Nakamura Hiroyuki, Waki Takeshi, Tabata Yoshikazu, Geirhos Korbinian, Lunkenheimer Peter, Kezsmarki Istvan, Ondrejkovic Petr, Hlinka Jirka, Eng Lukas M.: Architecture of nanoscale ferroelectric domains in GaMo4S8, JOURNAL OF PHYSICS-CONDENSED MATTER 30: (44) 445402, 2018 | | Viirok J., Nagel U., Room T., Farkas D. G., Balla P., Szaller D., Kocsis V, Tokunaga Y., Taguchi Y., Tokura Y., Bernath B., Kamenskyi D. L., Kezsmarki I, Bordacs S., Penc K.: Directional dichroism in the paramagnetic state of multiferroics: A case study of infrared light absorption in Sr2CoSi2O7 at high temperatures, PHYSICAL REVIEW B 99: (1) 014410, 2019 | | Peedu L., Kocsis V., Szaller D., Viirok J., Nagel U., Rõõm T., Farkas D. G., Bordács S., Kamenskyi D. L., Zeitler U., Tokunaga Y., Taguchi Y., Tokura Y., Kézsmárki I.: Spin excitations of magnetoelectric LiNiPO 4 in multiple magnetic phases, PHYSICAL REVIEW B 100: (2) 024406, 2019 | | V. Kocsis, S. Bordács, Y. Tokunaga, J. Viirok, L. Peedu, T. Rõõm, U. Nagel, Y. Taguchi, Y. Tokura, I. Kézsmárki: Magnetoelectric spectroscopy of spin excitations in LiCoPO4, PHYS REV B 100, 155124, 2019 | | Geirhos Korbinian, Gross Boris, Szigeti Bertalan G., Mehlin Andrea, Philipp Simon, White Jonathan S., Cubitt Robert, Widmann Sebastian, Ghara Somnath, Lunkenheimer Peter, Tsurkan Vladimir, Neuber Erik, Ivaneyko Dmytro, Milde Peter, Eng Lukas M., Leonov Andrey O., Bordacs Sandor, Poggio Martino, Kezsmarki Istvan: Macroscopic manifestation of domain-wall magnetism and magnetoelectric effect in a Neel-type skyrmion host, NPJ QUANTUM MATERIALS 5: (1) 44, 2020 | | Gross B., Philipp S., Geirhos K., Mehlin A., Bordacs S., Tsurkan V., Leonov A., Kézsmárki I., Poggio M.: Stability of Néel-type skyrmion lattice against oblique magnetic fields in Ga V 4 S 8 and Ga V 4 Se 8, PHYSICAL REVIEW B 102: (10) 104407, 2020 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
