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Tipo de Documento: Tese
Título: Emergent magnetism and sublattice interplay in 3d-4f-5d double and quadruple perovskites
Autor(es): Attah-Baah, John Matthias
Data do documento: 29-Jul-2025
Orientador: Ferreira, Nilson dos Santos
Coorientador: Johnson, Roger Douglas
Resumo: Esta tese apresenta uma investigação sistemática das interações magnéticas complexas em perovskitas contendo terras-raras, combinando técnicas avançadas de difração de nêutrons, magnetometria e cálculos de primeiros princípios para desvendar a interação entre vias de troca 3d-4f-5d, distorções estruturais e propriedades funcionais. Através da análise detalhada da dupla perovskita Nd2NiMnO6, estabelecemos uma estrutura monoclínica P21/n com ordenamento quase completo dos sítios B de Ni/Mn e revelamos um rico diagrama de fase magnética, caracterizado por: (i) ordenamento ferromagnético das sub-redes Ni2+-Mn4+ em TN = 198 K, exibindo comportamento crítico de campo médio; (ii) um estado reentrante de vidro de spins abaixo de TN ; e (iii) ordenamento não colinear de Nd3+ abaixo de TN1 = 22 K, impulsionado pela competição entre trocas f − d e f − f. O sistema demonstra desempenho magnetocalórico promissor (∆SM = 2.25 Jkg−1K−1 a 7 T) e acoplamento spin-fônico significativo. A introdução de dopantes de Ir 5d em Nd2NiMn0.25Ir0.75O6 levou a três avanços fundamentais: (1) a resolução de uma estrutura magnética unificada Γ + 1 , eliminando modelos anteriores de coexistência de fases; (2) a determinação precisa de momentos reduzidos de Mn/Ir (0,38 µB), revelando forte frustração spin-órbita; e (3) a descoberta de um ordenamento coerente de Nd3+ com ferromagnetismo ao longo do eixo b e inclinação no plano ac. Notavelmente, o Ir media um acoplamento 3d-4f aprimorado, apesar de suprimir a magnetização no sítio B, demonstrando uma nova rota para projetar interações 3d-5d-4f. Enquanto isso, em NdSmNiMnO6, identificamos um estado fundamental ferrimagnético (∆EFM-FiM ≈ 0.02 eV) estabilizado por distorções P21/n (⟨Ni-O-Mn⟩ ≈ 146◦ ), com efeitos de magnetostrição pronunciados e acoplamento spin-fônico evidenciado pelo endurecimento de modos de Raman. O material exibe excelentes propriedades magnetocalóricas (RCP = 182 J/kg) e expoentes críticos que revelam uma transição entre comportamentos de campo médio e Heisenberg 3D. Cálculos de primeiros princípios confirmam o papel crucial do ordenamento orbital e do quenching do momento de Sm3+ induzido por SOC. Finalmente, na perovskita quádrupla Er2CuMnMn4O12, descobrimos quatro transições magnéticas distintas, caracterizadas por reorientações de spin entre os eixos ±b e ±c, culminando em uma fase de baixa temperatura (TN4 = 7 K) com acoplamento modulado Er1-Mn3 em k = (0,0, 1 2 ). A sequência de transições destaca a interação complexa entre as sub-redes de metais de transição e terras-raras nesses sistemas frustrados. Coletivamente, este trabalho estabelece princípios de projeto para manipular interações de troca competitivas em perovskitas multifuncionais, demonstrando seu potencial para aplicações em refrigeração magnética e spintrônica. A combinação de ajuste estrutural, engenharia orbital 5d e controle específico de sub-redes apresentada aqui fornece um roteiro para o desenvolvimento de materiais multifuncionais de próxima geração com propriedades magnetoestruturais sob media.
Abstract: This thesis presents a systematic investigation of complex magnetic interactions in rare-earth containing perovskites, combining advanced neutron diffraction, magnetometry, and first-principles calculations to unravel the interplay between 3d-4f-5d exchange pathways, structural distortions, and functional properties. Through careful analysis of the double perovskite Nd2NiMnO6, we establish a monoclinic P21/n structure with almost complete B-site ordering of Ni/Mn and reveal a rich magnetic phase diagram featuring: (i) ferromagnetic ordering of Ni2+-Mn4+ sublattices at TN = 198 K exhibiting mean-field critical behavior, (ii) a re-entrant spin-glass state below TN , and (iii) non-collinear Nd3+ ordering below TN1 = 22 K driven by competing f − d and f − f exchange. The system demonstrates promising magnetocaloric performance (∆SM = 2.25 Jkg−1K−1 at 7 T) and significant spin-phonon coupling. The introduction of 5d Ir dopants in Nd2NiMn0.25Ir0.75O6 leads to three fundamental advances: (1) resolution of a unified Γ + 1 magnetic structure eliminating previous phase coexistence models, (2) precise determination of reduced Mn/Ir moments (0.38 µB) revealing strong spin-orbit frustration, and (3) discovery of coherent Nd3+ ordering with b-axis ferromagnetism and ac-plane canting. Remarkably, Ir mediates enhanced 3d-4f coupling despite suppressing B-site magnetization, demonstrating a novel route to engineer 3d-5d-4f interactions. Meanwhile, in NdSmNiMnO6, we identify a ferrimagnetic ground state (∆EFM-FiM ≈ 0.02 eV) stabilized by P21/n distortions (⟨Ni-O-Mn⟩ ≈ 146◦ ), with pronounced magnetostriction effects and spin-phonon coupling evidenced by Raman mode hardening. The material shows excellent magnetocaloric properties (RCP = 182 J/kg) and critical exponents revealing a mean-field to 3D Heisenberg crossover. First-principles calculations confirm the crucial role of orbital ordering and SOC-induced Sm3+ moment quenching. Finally, in the quadruple perovskite Er2CuMnMn4O12, we uncover four distinct magnetic transitions featuring spin reorientations between ±b and ±c axes, culminating in a low-temperature phase (TN4 = 7 K) with k = (0,0, 1 2 ) modulated Er1-Mn3 coupling. The sequence of transitions highlights the complex interplay between transition metal and rare-earth sublattices in these frustrated systems. Collectively, this work establishes design principles for manipulating competing exchange interactions in multifunctional perovskites, while demonstrating their potential for magnetic refrigeration and spintronic applications. The combination of structural tuning, 5d-orbital tuning, and sublattice-specific control presented here provides a roadmap for developing next-generation multifunctional materials with tailored magnetostructural properties.
Palavras-chave: Dupla perovskita
Perovskitas colunares
Ferrimagnetismo
Reorientação de spin
Frustração magnética
Double perovskite
Columnar perovskites
Ferrimagnetism
Spin reorientation
Magnetic frustration
área CNPQ: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Agência de fomento: Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
Idioma: por
Sigla da Instituição: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Programa de Pós-graduação: Pós-Graduação em Física
Citação: ATTAH-BAAH, John Matthias. Emergent magnetism and sublattice interplay in 3d-4f-5d double and quadruple perovskites. 2025. 329 f. Dissertação (Mestrado em Física) — Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2025.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/23034
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