Studium fonomagnetismu a multiferoických fázových přechodů

• Thesis title in Czech: Studium fonomagnetismu a multiferoických fázových přechodů
• Thesis title in English: Study of phonomagnetism and multiferroic phase transitions
• Key words: fonony|magnony|multiferoika|magnetismus|feroelektřina|fázové přechody
• English key words: phonons|magnons|multiferroics|magnetism|ferroelectricity|phase transitions
• Academic year of topic announcement: 2025/2026
• Thesis type: dissertation
• Department: Department of Condensed Matter Physics (32-KFKL)
• Supervisor: RNDr. Stanislav Kamba, CSc.
• Date and time of defence: 28.09.2029 00:00

Guidelines

Tato disertační práce bude částečně věnována THz, IR a Ramanovým studiím dynamiky multiferoických fázových přechodů (ferroelektrické měkké módy, magnon a elektromagneton) v nových perspektivních materiálech, jakož i vlivu intenzivního THz záření na přechodné magnetické a ferroelektrické fázové přechody v různých materiálech předpovězených v teoretických pracích D. Jurascheka (Phys. Rev. Mat. 3 (2019), Phys. Rev. Research 4, 013129 (2022)). K tomuto účelu použijeme intenzivní THz paprsky z laserů na volných elektronech v Drážďanech a Nijmegenu, jakož i v naší nově vybudované THz laboratoři ve Fyzikálním ústavu Akademie věd České republiky.

References

1. C. Kittel, Introduction to solid state physics, John Wiley & Sons Inc 2018 or Czech edition Úvod do fyziky pevných látek, Academia, Praha 1985.
2. P. Brüesch, Phonons: Theory and Experiments I-III, Springer-Verlag, Berlin 1982
3. S. Dong, J.-M. Liu, S.-W. Cheong, and Z. Ren. Multiferroic materials and magnetoelectric physics: symmetry, entanglement, excitation, and topology. Adv. Phys. 64, 519-626 (2015).
4. S. Kamba. Soft-mode spectroscopy of ferroelectrics and multiferroics: A review. APL Materials 9, 020704 (2021).
5. X. Li, D. Kim, Y. Liu, and J. Kono. Terahertz spin dynamics in rare-earth orthoferrites. Photonics Insights 1 , R05 (2022).
6. S. Chaudhary, D. M. Juraschek, M. Rodriguez-Vega, and G. A. Fiete. Giant effective magnetic moments of chiral phonons from orbit-lattice coupling. Phys Rev B 110, 094401 (2024).
7. T. Kahana, D. a. B. Lopez, and D. M. Juraschek. Light-induced magnetization from magnonic rectification. Sci Adv 10, eado0722 ((2024).
8. D. A. Bustamane Lopez, D. M. Juraschek, M. Fechner, X. H. Xu, S. W. Cheong, and W. Z. Hu. Ultrafast simultaneous manipulation of multiple ferroic orders through nonlinear phonon excitation. Npj Quantum Materials 10, 24 (2025).

Preliminary scope of work

Magnetoelektrická vazba v multiferroikách (tj. magneticky uspořádaných feroelektrikách) je v současné době horkým tématem v oblasti fyziky pevných látek, a to nejen kvůli bohatosti a složitosti fyzikálních problémů, ale také kvůli budoucím možným aplikacím v energeticky úsporných elektronických pamětech, elektrickým polem řízených spinových filtrech, magnetoelektrických senzorech atd.

Nevýhodou je, že v přírodě existuje relativně málo multiferroických materiálů s kritickými ferroelektrickými a magnetickými teplotami nad pokojovou teplotou. Proto se stále hledají nové materiály, které vykazují silné magnetoelektrické vazby nad 300 K.
Nedávno bylo teoreticky předpovězeno, že by mělo být možné vyvolat dynamickou multiferroelektricitu pumpováním polárních fononů silným terahertzovým zářením v nemagnetických paraelektrických materiálech. Velmi nedávno to bylo experimentálně prokázáno v kvantovém paraelektrickém diamagnetu SrTiO3 (Basini, Nature 628, 534 (2024)) a KTaO3 (náš rukopis je v přípravě). Bylo prokázáno, že když jsou polární fonony rezonančně poháněny ultrakrátkými cirkulárně polarizovanými THz pulzy, dochází ke kruhovému pohybu atomů kolem jejich rovnovážných poloh a indukuje se měřitelné magnetické pole. Současně může dojít k narušení symetrie, což je typické pro feroelektrika.

Tato disertační práce bude částečně věnována THz, IR a Ramanovým studiím dynamiky multiferoických fázových přechodů (ferroelektrické měkké módy, magnon a elektromagneton) v nových perspektivních materiálech, jakož i vlivu intenzivního THz záření na přechodné magnetické a ferroelektrické fázové přechody v různých materiálech předpovězených v teoretických pracích D. Jurascheka (Phys. Rev. Mat. 3 (2019), Phys. Rev. Research 4, 013129 (2022)). K tomuto účelu použijeme intenzivní THz paprsky z laserů na volných elektronech v Drážďanech a Nijmegenu, jakož i v naší nově vybudované THz laboratoři ve Fyzikálním ústavu Akademie věd České republiky.

Preliminary scope of work in English

Magnetoelectric coupling in multiferroics (magnetically ordered ferroelectrics) is currently a hot topic in solid state physics, not only because of the richness and complexity of the physical problems, but also because of the future potential applications in non-volatile electronic memories, electric field-controlled spin filters, magnetoelectric sensors, etc.

The disadvantage is that there are relatively few multiferroic materials in nature with critical ferroelectric and magnetic temperatures above room temperature. Therefore, new materials that exhibit strong magneto-electric coupling above 300 K are still being sought.
Recently, it has been theoretically predicted that it should be possible to induce dynamic multiferroelectricity by pumping polar phonons with strong terahertz radiation in non-magnetic paraelectric materials. Very recently, this has been experimentally demonstrated in the quantum paraelectric diamagnet SrTiO3 (Basini, Nature 628, 534 (2024)) and KTaO3 (our manuscript is in preparation). It has been shown that when polar phonons are driven resonantly with an ultrashort circularly polarized THz pulses, it produces circular motion of the atoms around their equilibrium positions and it induces measurable magnetic fields. Simultaneously, the center of symmetry can be broken, which is typical for ferroelectrics.

This dissertation will be partly devoted to THz, IR and Raman studies of the dynamics of multiferroic phase transitions (ferroelectric soft modes, magnons and electromagnons) in new perspective materials as well as the effect of intense THz radiation on transient magnetic and ferroelectric phase transitions in various materials predicted in the theoretical works of D. Juraschek (Phys. Rev. Mat. 3 (2019), Phys. Rev. Research 4, 013129 (2022)). For this purpose, we will use the intense THz beams at the free electron lasers in Dresden and Nijmegen, as well as in our newly built THz laboratory at the Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences.