Sähkö ja magnetismi samassa materiaalissa

Materiaalitieteessä, sähköisiä ja magneettisia vaikutuksia on yleensä tutkittu erikseen. On kuitenkin epätavallisia "multiferroisia" materiaaleja, jossa sähköiset ja magneettiset herätteet liittyvät läheisesti toisiinsa.

Wienin teknillisen yliopiston tutkijat ovat esitelleet kokeilun, jossa magneettisiin ominaisuuksiin ja herätteisiin voidaan vaikuttaa sähköjännitteellä. Tämä avaa täysin uusia mahdollisuuksia korkeiden taajuuksien elektroniikalle.

Sähkö ja magnetismi ovat saman kolikon kaksi puolta, jonka aallot vapaassa tilassa koostuvat aina sekä sähköisestä että magneettisesta komponentista. Mutta materiaalien ominaisuuksissa sähköisyyttä ja magnetismia on kuitenkin pidetty erillisinä aiheina.

Magneetilla on magneettikenttä, mutta ei sähkökenttää. Pietsosähköisessä kiteessä voidaan kuitenkin muodostaa sähkökenttä, mutta ei magneettikenttää. Molempien aikaan saaminen tuntuu mahdottomalta.

- Yleensä kumpikin vaikutus on luotu hyvin eri tavoin. Magneettinen järjestys tulee elektroneista niiden yhtenäistäessä magneettiset momenttinsa, sähköinen järjestys tulee positiivisten ja negatiivisten varausten liikkuessa suhteessa toisiinsa, sanoo professori Andrei Pimenov (TU Wien).

Vuonna 2006 Andrei Pimenov löysi todisteita herätteistä jotka perustuvat sekä sähköiseen että magneettiseen muotoon. Näistä herätteistä, jotka on nimetty sähkömagnoneiksi (electromagnons), on kiistelty materiaalitieteessä siitä lähtien.

Nyt Pimenov ja hänen tutkijaryhmänsä ovat onnistuneet kytkemään tällaiset herätteet päälle ja pois sähkökentällä erityisessä materiaalissa, joka on valmistettu dysprosiumista, mangaanista ja hapesta (DyMnO3).

Tässä materiaalissa, monet elektronit mukauttavat magneettiset momenttinsa alhaisissa lämpötiloissa. Jokaisella elektronilla on magneettinen suunta, joka on hieman vääristynyt suhteessa viereiseen elektroniin - siksi elektronit luovat magneettisien momenttien kierteitä. Kierteellä on kaksi mahdollista suuntaa - myötä- tai vastapäivään - ja yllättäen, ulkoisella sähkökentällä voi vaihtaa näiden kahden mahdollisuuden välillä.

Magneto-sähköisissä materiaaleissa, atomien varaukset ja magneettiset momentit ovat liittyneet toisiinsa. Dysprosium-mangaanioksidissa tämä kontakti on erityisen vahva. Magneettiset momentit ja sähkövaraukset osallistuvat kumpikin samanaikaisesti herätteeseen, joten molempiin voidaan vaikuttaa yhdellä ulkoisella kentällä.

Löytö voi johtaa uudenlaisiin vahvistimiin, transistoreihin tai tallennuslaitteisiin ja siihen tukeutuen voidaan rakentaa erittäin herkkiä antureita.