Ho1–xYxFeO3單晶自旋重取向的摻雜效應與磁控效應的太赫茲光譜*

任壯 成龍 謝爾蓋·固瑞特斯基 那澤亞·柳博奇科 李江濤尚加敏 謝爾蓋·巴里洛 武安華 亞歷山大·卡拉什尼科娃馬宗偉 周春 盛志高?

1) (中國科學院合肥物質科學研究院, 強磁場科學中心, 合肥 230031)

2) (中國科學技術大學, 合肥 230026)

3) (白俄羅斯國家航空航天局, 科學實用材料研究中心, 明斯克 220072)

4) (中國科學院上海硅酸鹽研究所, 上海 200050)

5) (俄羅斯約飛技術研究所, 圣·彼得堡 194021)

1 引 言

因具有磁光效應、超快磁翻轉、多鐵性和自旋重取向相變等新奇的物理特性, 稀土正鐵氧體RFeO3(R表示Y或稀土元素)已經成為凝聚態物理的熱點研究對象之一[1?8].RFeO3材料中有兩種磁性離子:R3+和 Fe3+離子. 它們之間存在三種磁相互作用, 分別存在于 Fe3+-Fe3+, R3+-Fe3+以及R3+-R3+之間[9?13]. 這三種作用相互競爭, 產生了豐富的磁相變. 其中一種常見而又有趣的磁相變就是自旋重取向, 也就是RFeO3材料中的自旋矢量會隨著溫度等外場變化而出現重新排布的現象[8,14?20].這一現象一般認為是鐵離子(Fe3+)和稀土離子(R3+)之間的弱相互作用, 以及它們各自子格子磁性行為的不一致造成的[8,17]. 自旋重取向代表著自旋態的轉變, 不僅可以作為自旋電子學器件中信息的載體, 而且其衍生效應可以為深入挖掘磁性物理機制提供基礎. 為此, 自旋重取向相變成為了RFeO3研究中的重要內容, 吸引了廣泛的關注[1,3,14,21?23].

一方面, 人們不斷探索不同RFeO3體系中自旋重取向相變的不同特征; 另一方面, 人們希望通過各種手段實現對自旋重取向相變的調控, 比如元素摻雜、外場調控等, 以期獲取調控規律與潛在應用基礎. 已有研究表明,R位的元素摻雜能有效改變R3+-Fe3+交換作用能量, 從而可以調控RFeO3的自旋重取向溫區[9,19,21,24?26]. 元素摻雜一般分為磁性離子摻雜和非磁性離子摻雜.RFeO3體系的磁性離子摻雜中最為典型是Sm3+離子. SmFeO3本身也在RFeO3體系中具有最高的自旋重取向溫度 (TSR約為 480 K). 目前, 人們認為 SmxR1-xFeO3是實現室溫的自旋重取向的最佳材料[9,11,24,26]. 例如, Wang等[11]生長了高質量的Sm0.7Tb0.3FeO3單晶, 自旋重取向的溫區為 330—360 K. 隨后,Liu等[24]發現在Sm3+離子摻雜的DyFeO3單晶樣品中, 樣品的自旋重取向溫區隨著Sm3+離子摻雜濃度上升而線性上升. 對于非磁性離子摻雜, 新摻入的離子不會與Fe3+產生新的交換作用. 因此在非磁性離子摻雜的RFeO3中, 能更方便地分析Fe3+-R3+交換作用對于自旋重取向相變的影響. 在摻雜的非磁性離子中, Y3+是常見的一種[13,25]. 例如2018年, Li等[25]系統研究了不同濃度Y3+摻雜的ErFeO3單晶樣品中不同溫度磁場下的太赫茲(terahertz, THz)吸收譜, 證明了樣品中存在著迪克協作耦合效應.

除了摻雜(化學壓力), 磁場是另一種常見的、用于調控RFeO3中自旋重取向相變的手段[27?30].例如, Jiang等[28]利用太赫茲光譜發現, 外加磁場誘導下的NdFeO3單晶中的自旋重取向轉變具有強烈的各向異性, 這取決于外加磁場的方向. Guo等[27]研究了TmFeO3單晶中外加磁場分別沿a或c軸施加時, 準鐵磁模式 (q-FM, quasi-ferromagnetic mode)的共振頻率上升或下降, 而準反鐵磁模式(q-AFM, quasi-antiferromagnetic mode)的 共 振頻率幾乎不變. Amelin等[23]研究了YFeO3單晶中低溫磁場下的太赫茲吸收譜, 在3 K的溫度下沿a軸施加到6.2 T的磁場可以誘導自旋重取向轉變發生. 值得注意的是由于Y3+是非磁性離子,YFeO3中沒有產生溫度誘導的Fe3+離子的自旋重取向過程.

既然元素摻雜與外加磁場都能有效地調控RFeO3體系中的自旋重取向相變, 那么探索兩種方法的差異與其共同作用效果是非常有意義的. 據我們所知, 這一思路還未有人提出. 本文采用太赫茲光譜, 系統研究了變溫條件下磁場、非磁性Y3+離子摻雜對HoFeO3單晶中q-FM和q-AFM的共振頻率以及自旋重取向的影響. 研究表明非磁性Y3+離子的摻入不僅能改變q-FM和q-AFM的共振頻率, 而且能移動自旋重取向發生的溫區.另外, 我們還發現外加磁場不僅能有效地調控Ho1–xYxFeO3單晶中的q-FM共振頻率, 而且還能誘導出自旋重取向.

2 實驗方法

實驗中用到的單晶HoFeO3, Ho0.8Y0.2FeO3和Ho0.6Y0.4FeO3采用助溶劑法[31]生長獲得. 為了有效地獲得這些單晶樣品中自旋波及其自旋重取向過程, 本文選擇了太赫茲時域光譜(terahertz timedomain spectroscopy, THz-TDS)技術. 該技術是研究磁性材料的自旋共振和自旋重取向最有效的方法之一, 并且由于THz脈沖具有非常小的光子能量 (1 THz, 約為 4.1 meV), 其熱效應可以被忽略[14,32?35].

本文的THz-TDS光譜實驗是在中國科學院強磁場科學中心自主研制的變溫磁場下THz-TDS測試系統中完成的. 該系統的溫度變化范圍為 5—350 K; 磁場變化范圍為 0—8 T. 系統所用的光源是Menlo Systems公司的飛秒光纖激光器,輸出的中心波長為 780 nm, 脈沖寬度為 120 fs, 重復頻率為80 MHz. 激光被分為兩束, 一束作為THz脈沖產生光, 聚焦到光電導天線上產生寬譜THz脈沖. 透射的THz光通過離軸拋物鏡改變方向和第二束激光同時聚焦到厚度為2 mm, (110)取向的ZnTe晶體上, 利用電光取樣技術探測THz信號. 有效的光譜范圍為 0.1—1.5 THz. 在測量過程中, THz脈沖垂直入射到樣品上, 并且所有的樣品都固定到一個直徑為2.5 mm的金屬孔上.

選取了(110)取向的 HoFeO3, Ho0.8Y0.2FeO3和Ho0.6Y0.4FeO3單晶用于THz-TDS光譜測量,厚度分別為 0.5, 0.8 和 0.8 mm, 所有的樣品都進行了雙面拋光.

3 結果與討論

HoFeO3具有扭曲的鈣鈦礦結構, 可以用空間群來描述[16]. 其中Fe3+自旋在奈爾溫度 (TN= 647 K)以下反鐵磁有序, 由于 Dzyaloshinskii–Moriya (DM) 相互作用導致兩套磁亞晶格的磁化S1和S2具有約0.5°的相對傾斜角度, 并且晶體中具有兩種自旋共振模式: 準反鐵磁模式(q-AFM, quasi-antiferromagnetic mode)和 準 鐵磁模式 (q-FM, quasi-ferromagnetic mode)[36]. 這兩種共振模式的頻率都在THz范圍內, 因此采用THz吸收譜可以有效地探測出q-FM和q-AFM的共振頻率及其變化規律, 從而分析出樣品中的自旋狀態.

HoFeO3中傾斜的反鐵磁結構導致了非零的鐵磁凈磁矩M=S1+S2和 G 型反鐵磁磁矩L=S1–S2. 在自旋重取向轉變的溫度范圍內, HoFeO3單晶具有多個磁相變, 其中T3,T2和T1(T3

伴隨著Y3+的摻入, HoFeO3晶體中自旋態的行為略有變化. 由于Y3+具有滿殼層的電子而不顯示磁性, Y3+的摻雜可以在不引入新的磁結構的情況下降低Ho3+-Fe3+交換作用的整體強度, 從而會降低自旋重取向轉變的溫區[13,23,29]. 我們采用THz-TDS透射譜詳細研究了不同Y3+摻雜濃度下的Ho1–xYxFeO3中的q-AFM和q-FM共振峰隨溫度的變化關系(圖1). 與未摻雜樣品的測試條件一致, 太赫茲脈沖的磁場分量與c軸平行(HTHz//c軸),在G2和G12相中激發和探測的是q-FM共振峰,而在G4相中激發和探測的是q-AFM共振峰. 為了方便, 在這里定義q-FM共振峰頻率的最低點為G12→G24相變的轉變點T2, q-AFM共振峰頻率的最低點為G24→G4相變的轉變點T1.

通過三個樣品的太赫茲光譜測量, 觀察到了Y3+摻雜對HoFeO3晶體中自旋共振頻率與自旋重取向溫區的影響. 為了更好地呈現出不同摻雜濃度樣品的自旋共振、自旋重取向隨溫度變化規律, 需要提取樣品中自旋波吸收譜. 由于樣品在不同溫度下的吸收率可以通過THz波穿過樣品的THz幅值ES與自由空間的THz幅值ER得出, (ES/ER)2=(1–R)2exp(–ad)[23], 其中R為反射系數,a為吸收系數,d為樣品厚度. 因此樣品的吸收率AS=ad=–2 ln{ES/[ER(1–R)]}. 若樣品在不同溫度下的反射率不變, 可以計算出自旋波的共振吸收譜ASW=AS–A0∝ 1–(ES/E0), 其中為E0基線. 在 Y3+摻雜為 0, 0.2, 0.4 的樣品中分別在 60, 45 和 40 K 時,自旋共振吸收消失, 因此選擇這些數據作為基線.最后基線的吸收率A0可以通過去除 (ES/E0)–1中的負數值來得出. 樣品中自旋波共振吸收峰隨溫度變化關系詳見圖1(d)—(f). 從圖1(d)—(f)中可以清晰看到低溫區(G2相)的q-FM共振峰頻率隨著溫度的上升而下降; 高溫區(G4相)的q-AFM共振峰頻率隨著溫度的上升而上升. 這一特征對于不同摻雜濃度的樣品都是適用的.

通過進一步觀察, 發現Y3+摻雜對HoFeO3晶體中自旋態的影響體現在兩個方面. 第一個方面是對共振頻率的影響. 在 10 K 時, Y3+摻雜濃度為 0, 0.2和0.4的共振峰分別出現在0.63, 0.61和0.50 THz,對應激發的是Ho1–xYxFeO3中q-FM模. 這表明G2相q-FM的自旋共振頻率隨著Y3+摻雜濃度上升而下降. 當溫度上升到 80 K時, Y3+摻雜濃度為 0,0.2和 0.4的共振峰分別出現在 0.34, 0.37和0.42 THz, 對應激發的是 Ho1–xYxFeO3中的 q-AFM模. 這表明G4相q-AFM的自旋共振頻率隨著Y3+摻雜濃度上升而上升. 當溫度80 K上升至300 K時 , q-AFM 共 振 峰 頻 率 分 別 從 0.34, 0.37和0.42 THz 上升至 0.56, 0.57 和 0.56 THz, 并且吸收率上升, 所有單晶都穩定在G4相, 且它們的共振頻率基本相同.

第二個方面是對自旋重取向溫區的影響. 當溫度從 10 K 上升至 30 K 時, q-FM 共振峰頻率下降, 吸收率基本保持不變, 樣品處于G2相. 對于Y3+摻雜濃度為0, 0.2和0.4的單晶, q-FM共振峰分別在溫度大于 50, 40和 30 K 時消失, 對應單晶中發生了G12→G24相轉變. 當溫度繼續上升至80,55 和 45 K 時, Y3+摻雜濃度為 0, 0.2 和 0.4 的 q-AFM共振峰出現, 對應單晶中發生了G24→G4相轉變. 這一結果表明, 0, 0.2 和 0.4 的 Y3+摻雜濃度分別可以使單晶的自旋重取向溫區從50—80 K下降至 40—55 K 再下降至 30—45 K. 為了進一步對比Y3+摻雜對樣品自旋態的影響, 提取了HoFeO3,Ho0.8Y0.2FeO3和Ho0.6Y0.4FeO3中q-AFM和q-FM共振頻率隨溫度的變化關系, 如圖2所示. 可以清晰地看到, Y3+摻雜不僅可以降低低溫下q-FM共振峰頻率以及提升高溫下q-AFM共振峰頻率, 而且可以使得自旋重取向溫區向低溫移動.

圖 1 (a)?(c) 不同溫度下 (110)取向的 HoFeO3, Ho0.8Y0.2FeO3 和 Ho0.6Y0.4FeO3 單晶的 THz 透射譜, 入射的太赫茲磁場分量(HTHz)平行于晶體的c軸, 圖中紅色和藍色虛線分別幫助識別準鐵磁模式(q-FM)共振峰和準反鐵磁模式(q-AFM)共振峰;(d)?(f) 不同Y3+摻雜濃度單晶中的自旋波共振吸收譜隨溫度的關系. 圖中的紅色和藍色的虛線分別代表低溫下q-FM共振峰和高溫下q-AFM共振峰隨溫度的變化Fig. 1. (a)?(c) THz transmission spectra of the (110) HoFeO3, Ho0.8Y0.2FeO3, and Ho0.6Y0.4FeO3 single crystals measured at different temperatures, the incident THz magnetic component (HTHz) is aligned along c-axis of the crystal. The dashed red and blue lines are guides to the eye for identifying the quasi-ferromagnetic mode (q-FM) and quasi-antiferromagnetic mode (q-AFM) resonant peaks,respectively; (d)?(f) temperature dependence of THz spin wave resonance absorption spectra of single crystals with different Y3+doping levels. The red dotted lines in the figures represent q-FM resonant absorption peaks change with temperature at low temperature,and the blue dotted lines represent q-AFM resonant absorption peaks change with temperature at high temperature.

圖 2 Ho1–xYxFeO3 中 q-AFM 和 q-FM 共振頻率隨溫度的變化關系, 圓圈、三角和正方形標記分別代表Y3+離子摻雜濃度為0, 0.2和0.4的(110)取向的單晶中的共振頻率Fig. 2. The temperature dependence of q-AFM and q-FM resonant frequencies in Ho1–xYxFeO3. Circle, triangle and square markers show resonant frequencies in single crystals with Y3+ dopant concentration of 0, 0.2 and 0.4.

q-AFM和q-FM共振頻率隨溫度的變化趨勢可以用各向異性能機制解釋[16]:

其中g為旋磁比;HE為交換場;M0為飽和磁矩;Kac,Kab,Kca, 和Kcb為各向異性常數. 當溫度從T2>T> 10 K 時,Kca逐漸下降, q-FM 頻率逐漸軟化. 當T>T2時,Kca接近 0, q-FM 模式共振峰消失, 單晶發生G12→G24轉變. 當溫度T=T1時,q-AFM共振峰出現, 單晶發生G24→G4轉變, 當樣品溫度繼續上升 300 K >T>T1時,Kab增加, q-AFM頻率硬化, 樣品穩定在G4相. 由于Y3+是無磁性的, 與 Fe3+間無交換作用, Y3+摻雜只會降低Ho3+-Fe3+交換作用能而不會改變HoFeO3中自旋重取向類型. 因此在升溫過程中, Y3+摻雜濃度越高的單晶中的Ho3+-Fe3+交換作用能會在越低溫度就降低到與Fe3+-Fe3+各向異性能相近從而發生自旋重取向. 如果采用其他離子摻雜也可能會有效改變自旋重取向溫區, 例如稀土離子Sm3+摻雜, 由于在高溫下Sm3+-Fe3+交換作用能遠高于Ho3+-Fe3+交換作用能[9,26], 因此可能會提升HoFeO3中自旋重取向溫區; 如果采用稀土離子Dy3+摻雜, 可能會改變HoFeO3的自旋重取向類型, 如 Dy0.5Pr0.5FeO3發生了G4→G1→G2轉變, 而 DyFeO3或 PrFeO3只能分別發生G4→G1轉變或G4→G2轉變[10]. 而當Y3+摻雜后, HoFeO3的自旋重取向溫區下降而自旋重取向類型不變, 這種現象與Er1–xYxFeO3中一致[13]. 而且在溫度小于 30 K 時, Ho3+-Fe3+的交換作用能與Fe3+-Fe3+各向異性能間的差值會隨著Y3+摻雜濃度上升而減小, 從而導致了Kca的降低, 此時Y3+摻雜濃度越大, q-FM共振頻率越低;但是在溫度大于80 K后, 由于Ho3+-Fe3+的交換作用能大于Fe3+-Fe3+各向異性能, Ho3+-Fe3+的交換作用能與Fe3+-Fe3+各向異性能間的差值會增加,從而導致了Kab的增加, 因此相同溫度下, Y3+摻雜濃度越大, q-AFM共振頻率越高; 但是隨著溫度的繼續上升至遠高于自旋重取向溫區(T= 300 K)時, Ho3+-Fe3+的交換作用能降低至接近零,Kab完全取決于Fe3+-Fe3+各向異性能, 由于Fe3+-Fe3+各向異性能幾乎不隨摻雜濃度變化導致300 K時,不同Y3+摻雜濃度的q-AFM共振頻率幾乎相等.Y3+摻雜有效降低了Ho3+-Fe3+的交換作用能導致高溫下Kab降低和低溫下Kca增加, 從而不僅使HoFeO3的自旋重取向溫區下降, 而且使低溫(T≤30 K)下 q-FM 共振頻率降低以及高溫 (80 K ≤T< 300 K)下 q-AFM 共振頻率提升.

在討論了Y3+摻雜濃度對Ho1–xYxFeO3單晶中自旋共振模式、自旋重取向的影響之后, 接下來探索磁場對該體系自旋態的作用. 我們關注的重點是利用磁場誘導Ho1–xYxFeO3單晶發生自旋重取向, 以及發生自旋重取向過程中磁場強度對不同Y3+摻雜濃度單晶中的q-AFM模式和q-FM模式共振峰的影響. 在RFeO3單晶中, 沿反鐵磁矢量L方向施加磁場通常會誘導自旋重取向的發生[23,27].在低溫G2相時(L//c), 沿c軸施加一定大小的磁場會抵消沿c軸方向的各向異性能, 從而在Kca和Kcb不為0的情況下誘導樣品發生G2→G4轉變, 此時q-FM頻率降至到最低點后消失, q-AFM出現; 沿b軸施加磁場對樣品幾乎無影響;在高溫G4相時(L//a); 沿a軸施加一定磁場同樣會在Kac和Kab不為0的情況下誘導樣品發生G4→G2轉變, 此時 q-AFM 消失, q-FM 出現并且頻率上升. 由于臨近自旋重取向溫區時, q-AFM共振峰吸收率較弱, 而q-FM具有較強的吸收峰, 因此在G4相沿c軸施加磁場, 發生自旋重取向后G2相的q-FM模式比較容易觀察到, 因此選擇沿a軸有投影分量的(110)方向施加磁場.

如圖 3(a), (e), (i)所示, 當溫度T= 20 K 時,不同 Y3+摻雜濃度的 Ho1–xYxFeO3單晶均處于G2相, q-FM共振峰頻率隨著磁場增強而線性上升, 鐵磁矢量M//a且不發生翻轉. 這一特征與相關文獻中TmFeO3和YFeO3隨磁場的變化一致[23,27].當樣品處于高溫下 (約 100 K), Ho1–xYxFeO3單晶均處于G4相, 0—2.5 T 的磁場范圍內, 雖然 q-AFM的共振強度略有下降, 但其共振頻率基本保持不變 (如圖 3(d), (h), (l)所示). 這是 Ho1–xYxFeO3分別處于穩定的G2相和G4相的情況. 當Ho1–xYxFeO3單晶處于或接近自旋重取向溫區時, 磁場的作用則更為有趣. 我們發現在這一溫區磁場不僅能有效調控自旋共振頻率, 還能誘導自旋重取向. 如圖3(b)所示, 當未摻雜的 HoFeO3單晶在 45 K 時, 隨著磁場強度增加,G12相對應的q-FM共振頻率緩慢減小. 當磁場增加到1 T時, 發生磁場誘導的自旋重取向(G12→G2)相變. 伴隨著磁場強度的進一步增加,G2對應的q-FM共振頻率增加, 這與低溫(20 K)下G2相 的 行 為 一 致 . 對 于 Y3+摻 雜 的Ho1–xYxFeO3單晶, 在小磁場和 45 K條件下的THz譜測量不到自旋共振模 (圖 3(f), (j)). 當磁場增加到1 T時,G2相對應的q-FM共振模開始出現. 這一現象表明, 1 T的磁場誘導出了自旋重取向. 隨著磁場進一步增加,G2對應的q-FM共振頻率增加. 從以上實驗結果可以看出溫度越接近自旋重取向溫區, 磁場越容易誘導自旋重取向的發生.這是由于溫度越接近自旋重取向溫區, Ho3+-Fe3+交換作用能就越接近Fe3+-Fe3+各向異性能,導致各項異性常數Kac和Kab更接近0, 因此只需要很小的磁場就能誘導自旋重取向的發生.

圖 3 (a)?(l) Ho1–xYxFeO3單晶中在不同溫度下隨磁場變化的自旋波共振吸收譜, 入射的太赫茲磁場分量 (HTHz)平行于晶體的c軸, 外加磁場HDC沿晶體的[110]方向, 藍色和紅色的虛線分別表示q-AFM共振峰和q-FM共振峰隨磁場的變化Fig. 3. (a)?(l) Magnetic field dependence of THz spin wave resonance absorption spectra of Ho1–xYxFeO3 single crystals measured at different temperatures. The incident THz magnetic component (HTHz) is aligned along c-axis of crystals, and the external magnetic field HDC is applied along [110]axis of crystals. The blue and red dotted lines are q-AFM and q-FM resonant absorption peaks change with the applied magnetic field, respectively.

在討論完低溫相變區(T= 45 K)附近的磁場效應之后, 接下來讓我們探索Ho1–xYxFeO3單晶在高溫相變區的磁控現象. 在70 K這一特征溫度下,未摻雜的HoFeO3單晶處于自旋重取向(G4→G24)相變的臨界狀態附近. 雖然自旋基態為G4相, 但其對應的q-AFM自旋波強度很弱. 如圖3(c)所示,HoFeO3單晶在小磁場THz譜中不能觀察到明顯的自旋共振模. 當磁場增加到 1 T時,G24相對應的 q-FM共振模開始出現. 這表明, 1 T的磁場誘導出了自旋重取向(G4→G24)相變. 隨著磁場強度進一步增加,G24對應的q-FM共振頻率線性降低.對于 Y3+摻雜的 Ho1–xYxFeO3單晶, 情況略有不同. 如圖 2所示, 在 Y3+摻雜濃度為 0.2和 0.4的Ho1–xYxFeO3單晶中, 相變溫度T1(G24→G4)分別為55, 45 K. 因此, 70 K 溫度 (>T1)下的 Ho1–xYxFeO3單晶的自旋基態為穩定的G4相. 如圖3(g), (k)所示, 零場和小磁場條件下的THz譜可以探測到的明顯的G4相對應的q-AFM共振模. 隨著磁場增加, 該q-AFM共振模的頻率基本不變. 這與100 K條件下的磁控行為一致. 當磁場強度增加到1 T時, Ho0.8Y0.2FeO3單晶的THz頻譜中出現了G24對應的q-FM共振. 這表明, 磁場誘導出了自旋重取向(G4→G24)相變. 此時鐵磁矢量由M//c軸旋轉至M與c軸和a軸成一定夾角. 更為有趣的是,在 1.0—1.5 T 磁場范圍內,G4相對應的 q-AFM共振模和G24相對應的q-FM共振模共存(圖3(g)).這表明磁場誘導的相變是一個漸進過程, 在1.0—1.5 T磁場范圍內, 并不是所有自旋都發生了轉向. 隨著磁場進一步增加 (> 2 T), 磁場誘導的自旋重取向相變完成, 體系自旋完全處于G24相.這一過程中, 磁場誘導出的G24相所對應的q-FM共振模的頻率隨磁場強度增加而降低. 當Y3+摻雜濃度從0.2提升至0.4, 磁場效應的趨勢基本一致.不同之處在于Y3+摻雜濃度為0.4的單晶中發生自旋重取向(G4→G24)的臨界磁場強度(2 T)比摻雜濃度為0.2的情況(1 T)要大. 這是由于Y3+離子摻雜濃度越大, 單晶中的Ho3+-Fe3+交換能越小,各項異性常數Kac和Kab也越大, 這導致了單晶越難發生自旋重取向.

4 結 論

本文利用變溫變場下的THz-TDS, 系統研究了非磁性Y3+離子摻雜與外加磁場對HoFeO3單晶中自旋態以及自旋重取向的影響. 變溫THz譜表明Ho1–xYxFeO3單晶中低溫區q-FM共振頻率隨著溫度的上升而下降; 而高溫區的q-AFM共振頻率隨著溫度的上升而上升. 隨著非磁性Y3+離子的摻入, 一方面低溫q-FM共振頻率降低而高溫q-AFM共振頻率得到提升; 另一方面自旋重取向的溫區整體向低溫移動. 另外, 實驗表明磁場不僅能夠有效地調控Ho1–xYxFeO3單晶中的q-FM共振頻率, 而且還能誘導出自旋重取向. 這一磁場誘導的自旋重取向效應在晶體的本征自旋重取向溫區最為明顯, 其磁誘導效應的臨界磁場強度隨Y3+離子摻雜濃度而增加. 這一摻雜效應、磁控效應的研究將有助于理解稀土正鐵氧體中的自旋交換作用機制, 并為場控器件的研發提供了相關實驗基礎.