Our series of works on Y-type hexaferrite Ba$_{0.5}$Sr$_{1.5}$Zn$_{2}$(Fe$_{1-x}$Al$_{x}$)$_{12}$O$_{22}$ revealed that how multiferroic properties are improved by thermal annealing and Al substitution, and the microscopic origin of electrically induced magnetization.
It was clarified that the spin-canting angle of Fe$^{3+}$ ions at off-centered octahedra is fixed and Al$^{3+}$ ions substitute for Fe$^{3+}$ ions at those sites by using $^{57}$Fe nuclear magnetic resonance peak assignment.
By analyzing the enhancement factor change of $^{57}$Fe nuclear magnetic resonance signals, we found that the magnetic moments of the spin blocks are rotated by a magnetic field in such a way as to increase the net magnetic moment of a magnetic unit cell, even after the field is removed.
Al substitution makes multiferroic property arise easily by suppression of the easy-plane anisotropy. The effect of thermal annealing is to stabilize the multiferroic state by reducing the number of pinning sites and the electron spin fluctuation. The transverse conic structure gradually changes to the alternating longitudinal conic structure where spins strongly fluctuate.
It was found that an electric field makes $M(H)$ curve shifted like exchange bias. The enhancement factor analysis indicated that the main origin of the huge magnetization induced by an electric field is due to the domain configuration change; an electric field changes the area of magnetic domains like a magnetic field due to the strong clamping between magnetic and ferroelectric orders.
헥사페라이트 Ba$_{0.5}$Sr$_{1.5}$Zn$_{2}$(Fe$_{1-x}$Al$_{x}$)$_{12}$O$_{22}$에 대한 일련의 연구를 통해, 우리는 열처리와 알루미늄 치환이 어떻게 다강성을 향상시키는지, 그리고 전기적으로 유도된 자화의 미시적 근원이 무엇인지 밝혀냈다.
철 핵자기공명 빛띠 분석을 통해, 중심이 이동된 팔면체에 있는 철 이온의 스핀 기울기 각도는 물질의 자성 구조와 무관하게 고정되어 있다는 사실과, 알루미늄 이온이 바로 이 중심이 이동된 팔면체로 들어간다는 사실을 알아냈다.
자기장과 온도에 따른 철 핵자기공명 신호의 중폭계수 변화를 분석하여 우리는 다음과 같은 사실들을 알아냈다.
스핀 덩어리의 자기 모멘트는 자기장에 의해 자성 단위 낱칸의 알짜 자기 모멘트가 커지는 방향으로 돌아가고, 한 번 돌아가면 자기장이 사라져도 계속 그 상태를 유지한다.
알루미늄 치환은 특정 평면으로의 정렬을 선호하는 자기비등방성을 감소시켜 다강성이 더 잘 나타나도록 한다.
열처리는 스핀이 돌아가지 못하도록 붙잡는 불순물의 수를 줄이고, 열에 의한 전자 스핀 요동을 감소시켜, 다강 상태를 안정화시킨다.
이 물질에서 다강성을 주는 자성 구조는 가로 뿔 구조인데, 온도를 올리면 가로 뿔 구조는 어긋난 세로 뿔 구조로 서서히 바뀐다. 이 때 어긋난 세로 뿔 구조는 스핀 요동이 아주 활발한 상태이다.
우리는 자기화 곡선이 전기장에 의해 교환 바이어스처럼 이동하는 것을 발견했다. 증폭계수 분석 결과는 전기적으로 유도된 자화의 근원은 자성 구역 상태의 변화라는 것을 보여준다. 다시 말해, 이 물질에서 전기장은 마치 자기장처럼 자성 구역의 ㄴㅕㄼ이를 조절한다. 이런 현상은 자성 질서와 강유전 질서의 강한 결합에 의한 것이다.
