Multiferroic order parameters in rhombic antiferromagnets RCrO₃

Abstract

In this paper, we present a symmetry analysis of magnetoelectric properties and spin reorientation processes in rare earth orthochromites, RCrO3. Structural instability and related crystallographic distortions in these materials lead to polar and axial structural modes emerging due to electric dipole ordering and rotations of the O6 octahedra. We find that displacements of oxygen ions from their highly symmetric positions in the parent perovskite phase induce electric dipole moments near Cr 3+ ions arranged in the antiferroelectic mode. Our results indicate that, in essence, RCrO3 are ferroelectric materials, the polarization of which manifests itself in electric field. These findings are supported by recent experiments demonstrating electric field induced polar ordering in RCrO3 crystals with various rare earth ions. Here, we classify structural order parameters according to the irreducible representations of the RCrO3 symmetry group (D2h 16 ), determine the possible couplings between distortive, ferroelectric and magnetic orderings and discuss a series of magnetoelectric structures in these terms. The presented analysis allows explain experiments on polarization reversal and the concomitant reorientation of spins, as well as to predict possible scenarios of phase transitions in RCrO3.

Symmetry Analysis of Magnetoelectric Effects in Perovskite-Based Multiferroics

“…Octahedron rotation is described by the axial vectors ω i (i = 1 ÷ 4) linked to Cr ions, and, as was shown in Ref. [10], they contribute to the axial order parameter.…”

Механизмы Магнитоэлектрических Эффектов В Оксидных Мультиферроиках С Прафазой Перовскита

“…В соответствии с результатами экспериментальных исследований [35][36][37], также см. цитирования в работе [38], в редкоземельных ортоферритах и ортохромитах наблюдается МЭЭ, реализуемый при определенных условиях. Так, в работе [30] приводятся данные по линейному МЭЭ (α z z ∼ 2.4 • 10 −2 esu), который экспериментально наблюдался в DyFeO 3 при температурах ниже температуры антиферромагнитного упорядочения ионов Dy 3+ (T N ∼ 4 K).…”

“…К основным кристаллографическим дисторсиям ABO 3 перовскита, приводящим к структурам вида RCrO 3 (RFeO 3 ) можно отнести вращение кислородных октаэдров CrO 6 (FeO 6 ) вокруг кристаллографического направления [110], а также смещения R 3+ и O 2− ионов (ζ q , q = R, O) относительно их центро-симметричных позиций в структуре ABO 3 перовскита. Как было показано в работе [38], в окрестности ионов Cr 3+ индуцируется дипольный момент, который возникает вследствие смещений ионов кислорода (ζ q ). В рамках модели точечных зарядов величина дипольного момента d q = qr q определяется радиусом вектором…”

A comprehensive review on the ferroelectric orthochromates: Synthesis, property, and application

“…The lack of high-quality and large-scale single-crystalline samples has been a long-standing issue for realizing potential applications to some extent and studying their intrinsic physical properties [130][131][132][133][134][135][136][137]. Consequently, it is still subject of many studies [52,[138][139][140][141][142][143][144][145][146][147][148]. For instances, the centrosymmetric orthorhombic structure cannot account for the appearance of ferroelectricity; it is controversial whether ferroelectricity and magnetoelectric coupling really exist in YCrO 3 ; moreover, the magnetic structure and the local distortion modes have not been well understood.…”