Measurement and modeling of hyperfine properties in ferroic materials

This thesis presents the results of perturbed angular correlation (PAC) experiments , an experimental technique which measures the hyperfine interaction at probes (radioactive ions implanted in the materials to study), from which one infers local information on an atomic scale. Furthermore, abinitio calculations using density functional theory electronic obtain results that directly complement the experiments, and are also used for theoretical research. These methods were applied in two families of materials. The manganites, with the possible existence of magnetic, charge, orbital and ferroelectric orders, are of fundamental and technological interest. The experimental results are obtained in the alkaline-earth manganites (Ca, Ba, Sr), with special interest due to the structural variety of possible polymorphs. With probes of Cd and In the stability of the probe and its location in a wide temperature range is established and a comparison with calculations allows the physical interpretation of the results. Calculations of hyperfine properties in rare-earth manganites are also presented. The second type of materials in which hyperfine properties were studied are the Manganese pnictides: MnAs, MnSb, and MnBi, compounds in which magnetism is fundamental. The experimental results obtained mainly consider the MnAs compound, whose magneto-structural transition is of great interest. The transition is analyzed in detail with the local resolution characteristic of the technique, obtaining information of the character of the transition also with complementary, more conventional techniques. The last work in this thesis uses only the first principles calculations, continuing the theme of the hyperfine interactions, but this time with respect to ferroelectrics. Several transition metal oxides with perovskite or distorted structures are considered. The electric field gradient which exists due to the quadrupole interaction in nuclei is related to the spontaneous electric polarization, the main quantity measured in ferroelectrics. This study provides a fundamental theoretical basis for previous empirical studies, suggesting new directions for research in ferroelectrics and multiferroics using techniques which measure the electric field gradient.

Esta tese apresenta os resultados de experiências de correlações angulares perturbadas (PAC), uma técnica experimental que mede as interacções hiperfinas em sondas - iões radioactivos implantados nos materiais a estudar, o que permite inferir informação local à escala de dimensões atómicas. Foram também utilizados cálculos ab-initio utilizando a teoria de funcionais da densidade electrónica, obtendo resultados que complementam directamente as experiências, e outros resultados também usados para investigação teórica. Estes métodos foram aplicados em duas famílias de materais. As manganites, com a possível existência de ordens magnéticas, de carga, orbital e ferroeléctrica, têm interesse fundamental e tecnológico. Cálculos iniciais na manganite de Ca provam a sua utilidade como complemento de experiências PAC neste tipo de materiais. Os resultados experimentais são depois obtidos nas manganites de terra-alcalina- Ba e Sr, com especial interesse estrutural devido à variedade de polimorfos possíveis. Com as sondas de Cd e In conseguiu-se estabelecer localização dos iões de sonda e a sua estabilidade num intervalo de temperatura grande, e uma comparação com os cálculos permite a interpretação mais aprofundada dos resultados. Cálculos das propriedades hiperfinas nas manganites de terras-raras também são apresentados. O segundo tipo de materiais em que foram estudadas as propriedades hiperfinas são os pnictídeos de Manganês: MnAs, MnSb, e MnBi. Os resultados experimentais obtidos consideram principalmente o MnAs, cuja transição magneto-estrutural tem maior interesse. A transição foi estudada em detalhe com a resolução local da técnica, com a obtenção de informação do carácter da transição, também com o complemento de outras técnicas mais convencionais. O último estudo desenvolvido nesta tese utiliza apenas os cálculos de primeiros princípios, continuando com o tema das interacções hiperfinas, mas desta vez em relação com a ferroelectricidade. São considerados vários óxidos com metais de transição com estruturas de perovskite ou distorcidas. O gradiente de campo eléctrico existente devido à interacção quadrupolar nos núcleos é relacionado com a polarização eléctrica espontânea, que é a principal quantidade medida em ferroeléctricos. Este estudo dá uma base fundamental teórica a alguns estudos empíricos antigos, sugerindo novas direcções de investigação em ferroeléctricos e multiferróicos utilizando técnicas de medida do gradiente de campo eléctrico.

Doutoramento em Fisica