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.

Badacze z Lawrence Berkeley National Laboratory dowiedli, że pole elektryczne może posłużyć do przełączania stanów w multiferroikach. To z kolei umożliwi wykorzystanie w przyszłości tych materiałów do przechowywania danych zarówno za pomocą zjawisk magnetycznych jak i spintronicznych. Multiferroiki to materiały charakteryzujące się jednocześnie więcej niż jedną cechą materiałów ferroikowych. Ich cztery podstawowe właściwości to ferromagnetyzm, ferroelektryczność, ferroelastyczność i ferrotoroidalność. Najpierw jego zespół wzbogacił żelazian bizmutu o akceptory jonów wapnia, gdyż zwiększają one ilość prądu, który może przepłynąć przez BiFeO3. Spowodowało to powstanie pozytywnie naładowanych wakancji tlenowych. Po przyłożeniu pola elektrycznego, wakancje te stały się ruchome. Powędrowały do góry materiału, tworząc złącze typu n, a nieruchome jony wapnia utworzyły w dolnej części materiału złącze typu p. Po odwróceniu kierunku pola elektrycznego obszary p i n zamieniły się miejscami. Z kolei zastosowanie pola elektrycznego o średnim natężeniu pozwoliło na wykasowanie obszarów p i n. Na takiej samej zasadzie działają współczesne urządzenia CMOS, gdzie przyłożenie napięcia pozwala na kontrolowanie właściwości przepływu elektronów i zmienia oporność z wysokiej (izolator) na niską (przewodnik) - zauważa Ramesh. W typowym urządzeniu CMOS różnica w oporności obu stanów jest milionkrotna. W żelazianie bizmutu osiągnięto dotychczas tysiąckrotną różnicę pomiędzy stanami on i off. To i tak dwa razy więcej, niż najlepszy wynik uzyskany za pomocą pola magnetycznego. Wystarczy też, by urządzenia z żelazianu bizmutu działały.