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.

Naukowcy z MIT-u odpowiedzieli na pytanie, które od dziesięcioleci trapiło uczonych - czy w gazach powstaje zjawisko magnetyzmu. Odpowiedź brzmi: tak. Zespół z Massachusetts Institute of Technolgy zaobserwował magnetyzm w gazie atomów litu schłodzonych do temperatury -273 stopni Celsjusza. W ten sposób udowodniono, że gaz złożony z fermionów nie musi tworzyć sieci krystalicznej, by być ferromagnetykiem. Uczeni od dziesięcioleci zastanawiali się, czy gazy i płyny mogą być ferromagnetykami, czyli materiałami wykazującymi silne właściwości magnetyczne nawet bez obecności pola magnetycznego. W ciałach stałych, takich jak żelazo czy nikiel, mamy do czynienia z ferromagnetyzmem wówczas, gdy nietworzące par elektrony w siatce krystalicznej spontanicznie ustawiają się w tym samym kierunku. Wszystkie fermiony (elektrony, protony i neutrony) wykazują właściwości podobne do elektronów, a więc mogą zostać użyte do symulowania ich zachowania w elektromagnesie. Atomy i molekuły, które posiadają równe liczby fermionów uznawane są za złożone fermiony. Dlatego też uczeni z MIT-u użyli litu-6, którego atomy składają się z trzech elektronów, trzech protonów i trzech neutronów. Wiadomo, że w naturze istnieją naturalne płyny i gazy fermionowe. Występują on w ciekłym helu-3 i w gwiazdach neutronowych. Jednak, jak wyjaśnia Gyu-boong Jo, członek zespołu badawczego, naturalne gazowa i ciekłe systemy fermionów nie wykazują właściwości ferromagnetycznych, gdyż poszczególne elementy zbyt słabo ze sobą oddziałują. Jednak w przypadku atomów litu-6 możliwe jest manipulowanie siłą oddziaływań dzięki zmianom zewnętrznego pola magnetycznego. Uczeni z MIT-u najpierw złapali chmurę chłodnych atomów litu w pułapkę stworzoną za pomocą lasera na podczerwień. Następnie zwiększali stopniowo siły oddziałujące pomiędzy atomami. Początkowo chmura zaczęła się powiększać, a później gwałtownie się skurczyła. gdy atomy uwolniono z pułapki, doszło do bardzo szybkiego powiększania się chmury. Takie zachowanie jest zgodne z teoretycznymi przewidywaniami dotyczącymi zjawisk zachodzących podczas przechodzenia do stanu ferromagnetyka. Specjaliści zgadzają się, że uzyskano w ten sposób bardzo silny dowód na to, iż gazy fermionowe mogą mieć takie właściwości jak krystaliczne ferromagnetyki. Jednak ostatecznym dowodem byłoby bezpośrednie zaobserwowanie ferromagnetyzmu. MIT ma zamiar nadal prowadzić badania nad nowymi właściwościami gazów, które są kontynuacją badań nad kondensatami Bosego-Einsteina. Bardzo szybko mogą one przyczynić się do powstania nowych materiałów magnetycznych, użytecznych podczas przechowywania danych, w nanotechnologii i diagnostyce medycznej. Ponadto umożliwią one dokładniejsze zbadania związków magnetyzmu i nadprzewodnictwa.