Znajdź zawartość

W Brookhaven National Laboratory zaobserwowany nowy mechanizm, dzięki któremu ferromagnetyzm i ferroelektryczność mogą istnieć w jednym materiale. Połączenie uporządkowanego materiału magnetycznego z uporządkowanym materiałem elektrycznym pozwoli na stworzenie bardzo wielu użytecznych urządzeń. Na przykład możliwe byłoby stworzenie nośnika informacji, na którym zapiszemy dane za pomocą pola elektrycznego, a odczytamy je badając jego pole magnetyczne. To doprowadziłoby do powstania energooszczędnych i bardzo wydajnych nośników - mówi fizyk Stuart Wilkins, jeden z autorów omawianego odkrycia. Niestety, materiały posiadające pole magnetyczne, które można w kontrolowany sposób przełączać za pomocą pola elektrycznego, są bardzo rzadkie. Właściwości ferroelektryczne i ferromagnetyczne najczęściej się wykluczają, a tam, gdzie współistnieją, źle wchodzą ze sobą w interakcje. Większość prac związanych z badaniem takich materiałów opiera się na założeniu, że należy zmienić sieć krystaliczną materiału magnetycznego by doprowadzić do zmian w polaryzacji elektrycznej. Uczeni z Brookhaven postanowili zweryfikować istnienie pewnego teoretycznego mechanizmu, który stał się przyczyną sporów w świecie fizyków. Użyli oni niezwykle jasnego promienia X na tlenku metalu złożonym z itru, manganu i tlenu. Okazało się, że w materiale tym właściwości magnetyczne i elektryczne występują dzięki zewnętrznej chmurze elektronów otaczających atomy. W tym szczególnym przypadku orbitale elektronów manganu i tlenu mieszają się ze sobą, co tworzy wiązania atomowe. Uczeni odkryli, że proces ten jest zależny od struktury magnetycznej materiału, co z kolei powoduje, że staje się on ferroelektrykiem. A to oznacza, że każda zmiana w strukturze magnetycznej będzie skutkowała zmianą stanu elektrycznego. Materiał jest zatem multiferroikiem. Najbardziej ekscytujący w tych badaniach jest fakt, że dowodzą one istnienia nieznanego dotąd mechanizmu sprzęgania i dostarczają narzędzi do jego badania - mówi Wilkins. Podczas badań uczeni wykorzystali skonstruowany przez siebie unikatowy instrument o nazwie NSLS, którego zadaniem jest badanie właściwości różnych materiałów, takich jak multiferroiki czy gorące nadprzewodniki. jednocześnie trwają prace nad maszyną NSLS-II, która będzie emitowała promienie X o jasności 10 000 razy większej niż NSLS.

Na początku była teoria. Craig Fennie z Argonne National Laboratory przewidział, że tytanian żelaza (FeTiO3) wytworzony pod wysokim ciśnieniem, powinien wykazywać zarówno właściwości ferromagnetyczne jak i polaryzację ferroelektryczną. Takiej kombinacji zwykle nie spotyka się w jednym materiale. Później, wraz z kolegami z Argonne, Pennsylvania State University, University of Chicago i Corenll University postanowił sprawdzić, czy teoria jest prawdziwa. Naukowcy wykorzystali odmianę mikroskopii sił atomowych znaną jako PFM (piezoresponse force microscopy), optyczne generowanie drugiej harmonicznej oraz magnetometrię, by wykazać, że w polikrystalicznym tytanianie żelaza, zsyntetyzowanym pod wysokim ciśnieniem, rzeczywiście występują oba wspomniane zjawiska. Ferroelektryczność występuje w temperaturze pokojowej i poniżej niej, a ferromagnetyzm w temperaturach poniżej 120 kelvinów (-153 stopnie Celsjusza). Najnowsze osiągnięcie naukowców to kolejny krok w poszukiwaniu coraz lepszych materiałów, które w przyszłości znajdą zastosowanie w olbrzymiej liczbie urządzeń. Opisany tytanian żelaza może np. działać jako magnetyczny przełącznik sterowany za pomocą manipulacji polami elektrycznymi. Przed kilkoma miesiącami informowaliśmy o sukcesie zespołu z Oak Ridge National Laboratory.