Семейство редкоземельных боратов с общей формулой RM3(BO3)4, где R – редкоземельный элемент или Y, M – 3d-металлы, представляет собой один из классов магнитоэлектрических материалов, привлекающих пристальное внимание исследователей в последнее время. При охлаждении в нулевом магнитном поле в ферроборатах RFe3(BO3)4 наблюдалось появление спонтанной сегнетоэлектрической поляризации при переходе в магнитоупорядоченное состояние. В этих соединениях присутствует две магнитные подсистемы: подсистема ионов железа и редкоземельных ионов. Подсистема железа антиферромагнитно упорядочивается при температурах TN ~ 30 ÷ 40 К, при этих же температурах возникает спонтанная поляризация, которая возрастает при понижении температуры, достигая значения 35 мкКл/м2 [1].
В иттриевом ферроборате YFe3(BO3)4 существует только одна магнитная система – железная. При температуре TN ~ 38 К происходит упорядочение Fe подрешетки в легкоплоскостную антиферромагнитную структуру c вектором распространения τ = [0, 0, 1/2] в пространственной кристаллографической группе P3121 [2, 3]. При этом спины ионов Fe3+ связаны между собой антиферромагнитно в направлении c, и ферромагнитно в плоскости ab. Магнитная анизотропия типа «легкая плоскость» объясняется дипольным взаимодействием между ионами Fe3+ в тригональной кристаллической решетке [4]. Ситуация с немагнитным редкоземельным ионом Y3+ представляется удобной для изучения роли свойств редкоземельных элементов на магнитные и магнитоэлектрические свойств оксиборатов.
Кристаллическая структура алюмоборатов и галлоборатов подобна структуре ферроборатов, предполагается, что они имеют тригональную структуру, которая принадлежит к пространственной группе R32 [5]. В отличие от ферроборатов, в алюмоборатах и галлоборатах магнетизм обусловлен лишь редкоземельной подсистемой. За счет больших расстояний между редкоземельными ионами обменное взаимодействие между ними слабое и при низких температурах соединение проявляет парамагнитные свойства.
Магнитоэлектрические взаимодействия в RAl3(BO3)4 и RGa3(BO3)4 можно подстраивать приложением внешнего магнитного поля. Так, например, в алюмоборате HoAl3(BO3)4 обнаружена рекордная электрическая поляризация, достигающая 3600 мкКл/м2 в поле 70 кЭ при температуре 3 К [6]. В алюмоборатах обнаружена корреляция между магнитострикцией и магнитоэлектрическим эффектом, характерная для всего семейства боратов, при ориентации поля вдоль x и y направлений. На данный момент нет общепринятой теории, которая бы описывала магнитоэлектрический эффект в алюмоборате или галлоборате гольмия. Теоретическое описание магнитных свойств, основанное на рассмотрении кристаллического поля предложено в работе [7].
1. А.А. Мухин, Г.П. Воробьев, В.Ю. Иванов, А.М. Кадомцева, А.С. Нарижная, А.М. Кузьменко, Ю.Ф. Попов, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим. Письма в ЖЭТФ том 93 – вып. 5, 305-311 (2011).
2. E. A. Popova, A. N. Vasil’ev, V. Temerov, L. Bezmaternykh, N. Tristan, R. Klingeler, B. Büchner. Journal of Physics: Condensed Matter 22, 116006 (2010).
3. C. Ritter, A. Vorotynov, A. Pankrats , G. Petrakovski˘ı , V. Temerov , I. Gudim and R. Szymczak. Journal of Physics: Condensed Matter 20(36), 365209 (2008).
4. B. Z. Malkin, E. A. Popova, E. P. Chukalina, A. Jablunovskis, M. N. Popova, Physica Status Solidi (RRL)–Rapid Research Letters Т. 14. №. 3. 1900603 (2020).
5. Е.В. Еремин, Н.В. Волков, В.Л. Темеров, И.А. Гудим. ФТТ 58, 642 (2016).
6. K.-C. Liang, R. P. Chaudhury, B. Lorenz, Y.Y. Sun, L.N. Bezmaternykh, V.L. Temerov, C.W. Chu. Phys. Rev. B 83, 180417(R) (2011).
7. А.И. Бегунов, А.А. Демидов, И.А. Гудим, Е.В. Еремин. Письма в ЖЭТФ том 97 – вып. 9, 611-618 (2013).
