Magnetismi ja sähköinen polarisaatio samassa materiaalissa

Warwickin yliopiston tutkijat ovat luoneet uuden materiaalin, joka yhdistää kaksi ominaisuutta, magnetismin ja sähköisen polarisaation, joita tieteilijät ovat yrittäneet yhdistää vuosikymmeniä – ja mikä tärkeintä, se toimii lähes huoneenlämmössä.

Sekä magneettisia että sähköisesti polarisoituneita materiaaleja, jotka tunnetaan magnetoelektrisinä materiaaleina, arvostetaan suuresti, koska ne mahdollistavat magneettisen informaation kytkemisen sähkökentän avulla magneettisen sijaan. Tämä voisi tehdä tulevaisuuden tietokoneiden muistista paljon energiatehokkaampaa, mikä on yhä kiireellisempi ongelma, kun datakeskukset ja tekoälyjärjestelmät asettavat kasvavia vaatimuksia sähköverkolle.

Ongelmana on, että useimmat magnetoelektriset materiaalit toimivat vain erittäin kylmissä lämpötiloissa, mikä sulkee pois niiden jokapäiväisen käytön.

JACS- lehdessä raportoitu uusi materiaali on strontiummanganiitin muoto, ja se kiertää tämän ongelman käyttämällä yksinkertaista rakenteellista kikkaa: sen kiderakenteen sisällä olevat atomiparit kallistuvat yhteen koordinoidusti. Tämä pieni siirtymä riittää tuottamaan sähkövarauksen materiaaliin ja samalla antamaan sille heikon, kytkettävissä olevan magnetismin.

Ratkaisevasti varaus ei riipu magnetismista, toisin kuin useimmissa magnetoelektrisissä materiaaleissa, joissa ne ovat lukittuina toisiinsa ja säilyvät vain erittäin kylmissä lämpötiloissa. Koska rakenteellinen muutos ja magnetismi ovat tässä itsenäisesti stabiileja, molemmat säilyvät paljon korkeammissa ja paljon käytännöllisemmissä lämpötiloissa.

”Magnetismia ja sähköistä polarisaatiota yhdistävän materiaalin löytäminen on jo itsessään tarpeeksi vaikeaa, mutta sellaisen löytäminen, joka tekee näin lähellä huoneenlämpötilaa, on ollut todellinen kiistakapula alalla”, sanoo tohtori Struan Simpson Warwickin yliopiston kemian laitokselta.”Jännittävää tässä on se, että sen taustalla oleva mekanismi on huomattavan yksinkertainen, pieni, koordinoitu kallistus kiderakenteessa riittää. Tämä yksinkertaisuus tekee meistä varmoja siitä, että tätä lähestymistapaa voidaan soveltaa paljon laajemmin.”

Käyttämällä korkean resoluution röntgen- ja neutronisirontaa sekä yksityiskohtaista tietokoneella mallinnettua tutkimusryhmä vahvisti, että tämä ilmiö kestää lähes huoneenlämmössä, mikä on paljon korkeampi kuin useimmissa tämäntyyppisissä materiaaleissa. He osoittivat myös, että ilmiötä voitaisiin vahvistaa muuttamalla materiaalin kemiallista koostumusta, mikä tarjoaisi yksinkertaisen tavan hienosäätää sen suorituskykyä.

”Tämä ei ole vain yhdestä materiaalista kiinni”, lisäsi professori Mark Senn Warwickin yliopiston kemian laitokselta. ”Se antaa meille suunnitelman tarkastella kokonaista rakenneluokkaa, joka on aiemmin jäänyt huomiotta tämänkaltaisissa sovelluksissa.

Seuraava askel on selvittää, kuinka pitkälle voimme viedä näitä ideoita ja kuinka lähelle pääsemme materiaalia, joka on todella valmis käytettäväksi oikeissa laitteissa.”

Tiimi uskoo, että samaa suunnittelukikkaa voitaisiin soveltaa paljon laajempaan materiaalivalikoimaan, mikä avaisi oven uusille energiatehokkaille teknologioille tässä tutkitun lisäksi.

Aiheesta aiemmin:

Magneettisten tekstuurien säätäminen sähkökentillä

Nollan ja ykkösen tuolla puolen

Multiferroisia kaksiulotteisista