German Title: Niederenergetische magnetische Anregungen und Magnetisierung in den magnetoelektrischen Antiferromagneten MnTiO3 und LiMnPO4 und im van-der-Waals Ferromagneten CrI3

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Abstract

High-frequency electron spin resonance is utilised to study antiferromagnetic and ferromagnetic resonance in MnTiO3, LiMnPO4, and CrI3. The main measurement technique is complemented by X-band electron spin resonance and by magnetisation measurements in static and oscillating magnetic fields. For each studied material, a resonance-frequency–magnetic-diagram of the magnon excitations is constructed and effective anisotropy and exchange constants derived. MnTiO3 is found to be describable by a two-sublattice antiferromagnetic model with uniaxial anisotropy and with effective exchange field BE = 107(6)T and anisotropy field BA = 0.17(1) T. The source of the anisotropy is argued to be magnetic dipole-dipole interactions. LiMnPO4 is found to be a two-sublattice antiferromagnet with orthorhombic anisotropy and effective parameters BE = 37.4(1) T, BcA = 0.22(1) T, and BbA = 0.55(1) T. An anomalous magnon branch is shown to be accountable for by rotation of the anisotropy axis at the spin-flop field by 6.5 degrees towards the hard magnetisation axis. A spin flip along the hard magnetisation axis is detected and suggested to indicate Dzyaloshinskii-Moriya-interaction-caused spin canting in the ground state. CrI3 is shown to possess anisotropy gap delta = 80(1) GHz at 2 K and its closure is detected only at approximately 1.3TC, confirming the quintessential role of anisotropy in formation of long-range ferromagnetic order. Critical-scaling analysis yields beta = 0.21(4), gamma = 1.05(2), and delta = 6.05(1), which are interpreted as indicating a predominantly two-dimensional nature of magnetic interactions.

Translation of abstract (German)

Mittels hochfrequenter Elektronenspinresonanz-Spektroskopie werden die magnetischen Anregungen in MnTiO3, LiMnPO4 und CrI3 untersucht. Komplementiert werden diese Messungen durch Messungen im X-Band, sowie durch Magnetisierungsmessungen in statischen und oszillierenden magnetischen Feldern. Für die untersuchten Materialien wird jeweils ein magnetisches Resonanz-Frequenzdiagramm der Magnonanregungen erstellt und die effektiven Anisotropie- und Austauschkonstanten werden bestimmt. MnTiO3 kann mithilfe eines antiferromagnetischen Zwei-Untergitter-Modells mit uniaxialer Anisotropie, einem effektiven Austauschfeld BE = 107(6)T und einem Anisotropiefeld BA = 0.17(1)T beschrieben werden. Ursache der Anisotropie sind magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. Auch LiMnPO4 lässt sich im Modell eines Zwei-Untergitter-Antiferromagneten beschreiben, wobei eine orthorhombische Anisotropie vorliegt und die effektiven Parametern BE = 37.4(1) T, BcA = 0.22(1)T und BbA = 0.55(1)T betragen. Ein anomaler Resonanzzweig kann durch die Rotation der Anisotropieachse um 6.5 Grad in Richtung der harten magnetischen Achse am Spinflopfeld erklärt werden. Entlang der harten magnetischen Achse wird ein Spinflip detektiert, welcher die Verkantung der Spins im Grundzustand aufgrund Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkungen zeigt. CrI3 weist bei 2 K eine Anisotropielücke von Delta = 80(1) GHz auf, die erst bei ca. 1.3TC vollständig geschlossen wird. Letzteres bestätigt die Bedeutung der Anisotropie für die Entstehung langreichweitiger ferromagnetischer Ordnung. Die Analyse der kritischen Exponenten ergibt Beta = 0.21(4), Gamma = 1.05(2), Delta = 6.05(1), welche mit einer überwiegend zweidimensionalen Natur der magnetischen Wechselwirkungen im Einklang stehen.