Magnon study of hexagonal LuMnO3 single crystal

Abstract

육방정계 망간 산화물 RMnO3(R=희토류) 물질은 강유전성과 반강자성 성질을 동시에 띄고 있기 때문에 흥미로운 연구 주제가 되고 있다. 또한 육방정계 망간 산화물에서 나타나는 삼각 격자 형태의 2차원 망간 네트워크에 의해 나타나는 자기적 성질 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다. RMnO3에서 2차원 망간 네트워크 내에서 Mn이온의 스핀들이 뒤집어짐(flipping)에 의해서 생성된 스핀 파동(magnon)은 우리 연구 그룹에 의해서 처음 발견되었다. 지금까지 magnon연구는 RMnO3박막시료에 대해서만 이루어졌으나 본 실험에서는 단결정 LuMnO3에서 magnon 연구를 수행하였다. 단결정 LuMnO3에서 라만 스펙트럼을 관찰한 결과 four-spin flipping magnon과 six-spin flipping magnon을 명백하게 확인할 수 있었고, LuMnO3에서 스핀 교환 적분값을 추론할 수 있었다. 스핀 교환 적분값은 복잡한 중성자산란으로 어렵게 구할 수 있는 물리랑인데, 이 실험에서는 광산란 실험으로 비교적 쉽게 구할 수 있었다. 또한 온도에 따른 magnon peak의 강도로부터 Néel온도가 94K임을 확인하였는데, 이것은 자화율 측정 결과와 정확히 일치하는 것을 볼 수 있었다. 이는 magnon peak 강도의 온도의존성으로부터 RMnO3박막시료의 Néel온도들을 구한 이전 연구 결과들을 분명하게 뒷받침해 주고 있다. magnon연구와 자화율 측정 모두 44K에서 또 다른 magnetic transition이 나타났는데 이러한 44K의 변화점은 비등방성 상호작용(Dzyaloshinskii-Moriya)으로 인한 Mn3+이온의 재배치 때문이라고 생각된다.;Hexagonal rare-earth manganites RMnO3(R=rare earth) belong to multiferroic materials having both electric properties and magnetic properties simultaneously. Much of research activities are about peculiar behavior of the magnetic properties of the hexagonal RMnO3 because of its two dimensional triangular Mn network. It is our research group who first reported the observation of the spin waves (magnon) caused by the flipping of spins in the Mn network of the hexagonal RMnO3. The magnon studies so far have been conducted on thin films of hexagonal RMnO3(R=Tb, Dy, Ho, Er). In this study, we observe the magnons in single crystal LuMnO3 for the first time. The results of the single crystal work are important in supporting the conclusions of our previous magnon studies on RMnO3 thin films. In single crystal LuMnO3, we observe the four-spin flipping magnon and the six-spin flipping magnon clearly. From our magnon scattering studies, the spin-exchange integrals in LuMnO3 single crystal are deduced relatively easy way. The spin-exchange integrals are normally obtained through complicated neutron scattering experiments. The temperature dependence of the intensity of the magnon peaks indicates that the Néel ordering temperature is 94K, which is exactly the same as the one obtained from our own magnetization measurements. This supports our previous estimation of the Néel ordering temperatures from the temperature dependence of the intensity of the magnon peaks of hexagonal RMnO3 thin films. Both of our magnon studies and the magnetization measurements indicate that there would be another magnetic transition at ~ 44K in LuMnO3 single crystal. We attribute the transition at 44K to the reorientation of the Mn3+ ions due to the Dzyaloshinskii-Moriya interaction.