J. Phys. France 41, 1317-1325 (1980)
DOI: 10.1051/jphys:0198000410110131700

More on spin orientation in MnO at 0 K and zero applied field : theoretical predictions

R. Bidaux, R. Conte et J.A. Nasser

DPh-G/PSRM, CEN Saclay, B.P. N° 2, 91190 Gif sur Yvette, France

Abstract
Above its Néel temperature TN (~ 110 K), MnO has the f.c.c. crystalline structure, the point group of Mn++ ions being m3m. At TN an antiferromagnetic order takes place. Some properties of that order are well enough described by taking into account the exchange and dipolar interactions and the magneto-elastic coupling from exchange interactions. So : 1) exchange interactions are responsible for the two-sublattice antiferromagnetic structure, 2) dipolar interactions set the spins (for Mn++ L = 0 and S = 5/2) parallel to the (111) planes of the f.c.c. structure and 3) magneto-elastic coupling due to exchange creates a 3m symmetry strain tensor. In this article we study the effects of the magneto-elastic coupling coming from dipolar interactions. Although they are small, these effects are qualitatively important. So, the dipolar magneto-elastic coupling removes partially the spin orientation degeneracy. We show there are twelve antiferromagnetic domains in MnO, the spin direction of a domain being contained in the plane defined by the [111] and [100] axes of the f.c.c. structure and being nearly orthogonal to the [111] axis. Furthermore, this interaction creates in each domain a strain tensor of symmetry lower than 3m. All the results agree with those one can deduce from the experimental studies of MnO in a null magnetic field and null stress tensor. The above results are not qualitatively changed by application of a hydrostatic pressure or an uniaxial stress along the [111] axis. But we show that one could favour one among the twelve antiferromagnetic domains by applying a stress with components on both the [111] and [100] axes. Such a result would be very interesting for the magnetic study of MnO.

Résumé
A haute température (T> TN ~ 110 K), MnO est un cristal c.f.c., le groupe ponctuel des ions Mn++ étant m3m. A T N ce composé présente un ordre antiferromagnétique dont certaines propriétés sont assez bien décrites au moyen des interactions d'échange et dipolaires et du couplage magnéto-élastique provenant des interactions d'échange. On peut ainsi montrer que : 1) les interactions d'échange créent une structure antiferromagnétique à deux sous-réseaux, 2) les interactions dipolaires imposent aux spins (les termes spectraux de Mn++ sont L = 0 et S = 5/2) d'être orthogonaux aux directions [111], et 3) que le couplage magnéto-élastique provenant de l'échange crée un tenseur de déformation de symétrie 3m. Dans cet article nous étudions le rôle à 0 K du couplage magnéto-élastique provenant des interactions dipolaires. Bien qu'il soit petit, ce couplage provoque des effets qualitativement remarquables. Ainsi lève-t-il partiellement la dégénérescence planaire d'orientation des spins. On montre l'existence de douze domaines antiferromagnétiques, la direction d'alignement des spins d'un domaine étant contenue dans le plan défini par les axes [111] et [100] de la structure c.f.c. et étant presque orthogonale à l'axe [111]. Par ailleurs, cette interaction crée dans chaque domaine un tenseur de déformation de symétrie inférieure à 3m. Ces résultats sont en accord avec ceux que l'on déduit des études expérimentales des propriétés magnétiques de MnO en champ nul et sans contrainte mécanique. En présence d'une pression hydrostatique ou d'une contrainte uniaxiale suivant la direction [111], les résultats que nous obtenons ne sont pas qualitativement différents des précédents. En revanche, notre étude laisse prévoir la possibilité de favoriser un seul des douze domaines antiferromagnétiques en appliquant une contrainte uniaxiale ayant des composantes non nulles sur les deux axes [111] et [100] de la maille c.f.c. Un tel résultat serait très intéressant pour l'étude des propriétés magnétiques de MnO.

PACS
7550E - Antiferromagnetics.
7580 - Magnetomechanical and magnetoelectric effects, magnetostriction.

Key words
antiferromagnetic properties of substances -- exchange interactions electron -- magnetoelastic effects -- manganese compounds