Silta ferrosähköisten ja ferromagneettisten materiaalien välille

Kuva esittää ferrosähköisen PbTiO3:n polarisaatiokuvion 3D-mallia, joka edustaa pyörteen ytimen sykloidista modulaatiota.

Suurempi kuva

Ferromagneettisilla materiaaleilla on itsestään luova magneettikenttä ja ferrosähköiset materiaalit tuottavat oman sähkökentän. Vaikka sähkö- ja magneettikentät liittyvät toisiinsa, fysiikka kertoo meille, että ne ovat hyvin erilaisia materiaaliluokkia.

Nyt Warwickin yliopiston johtamien tutkijoiden löytö monimutkaisesta sähköisen "pyörteen" kaltaisesta kuviosta, joka heijastaa sen magneettista vastinetta, viittaa siihen, että ne voivat itse asiassa olla saman kolikon kaksi puolta.

Tutkimuksessa esitetyt tulokset antavat ensimmäisen todisteen ferrosähköisten materiaalien prosessista, joka on verrattavissa Dzyaloshinskii-Moriya vuorovaikutukseen ferromagneeteissa.

Tällä erityisellä vuorovaikutuksella on keskeinen rooli topologisten magneettisten rakenteiden, kuten skyrmionien stabiloinnissa ja se voi olla ratkaisevan tärkeää mahdollisille uusille elektroniikan tekniikoille, jotka hyödyntävät sähköisiä vastineitaan.

Ferrosähköisiä kiteitä on käytetty useiden vuosien ajan erilaisissa teknologioissa, kuten luotaimet, äänimuuntimet ja toimilaitteet. Kaikki nämä tekniikat hyödyntävät sisäisiä sähköisiä dipoleja ja niiden keskinäisiä suhteita materiaalin kiderakenteen ja käytettyjen kenttien välillä.

Tätä tutkimusta varten tutkijat loivat ohuen kalvon ferrosähköisestä lyijytitanaatista ferromagneettisten strontiumrutenaatin kerrosten väliin, kukin noin 4 nanometriä paksu.

Vaikka näiden kahden materiaalin atomit muodostavat yhden jatkuvan kiderakenteen, ferrosähköisessä lyijytitanaattikerroksessa sähköinen polarisaatio muodostaisi normaalisti useita "alueita", kuten hunajakennoja.

Kun yliopiston tiimi tutki yhdistettyjen kerrosten rakennetta, he huomasivat, että lyijytitanaatin alueet olivat monimutkainen topologinen rakenne pyörteitä. Melkein identtinen käyttäytyminen on havaittu myös ferromagneeteissa, joissa sen tiedetään synntyvän Dzyaloshinskii–Moriya-vuorovaikutuksen (DMi) avulla.

Warwickin professori Marin Alexe kertoo: "Jos tarkastellaan, kuinka nämä ominaisuudet pienenevät, ferromagnetismin ja ferrosähköisyyden välinen ero tulee yhä vähemmän tärkeäksi. Saattaa olla, että ne sulautuvat jossain vaiheessa yhteen yhdeksi ainutlaatuiseksi materiaaliksi. Tämä voisi olla keinotekoista ja yhdistää hyvin pieniä ferromagneetteja ja ferrosähköisiä hyödyntääkseen näitä topologisia ominaisuuksia. Minulle on hyvin selvää, että olemme vasta jäävuoren huipulla sen suhteen, mihin tämä tutkimus johtaa."

Jatko-opiskelija Dorin Rusu jatkaa: "Ymmärtää, että ferrosähköisen dipolaariset tekstuurit, jotka jäljittelevät vastaavaa magneettista vastinetta tällaisessa määrin, takaavat jatkotutkimukset perusfysiikasta, joka ohjaa tällaisia yhtäläisyyksiä. Tämä tulos ei ole triviaali asia, kun otetaan huomioon ero sähkö- ja magneettikenttien alkuperässä ja vahvuuksissa."

Aiheesta aiemmin:

Topologiaa ja magneettisuutta

Ferrosähköistä ja topologista muistia