Atomdynamikken i sjældne evige elektriske felter

Ved at ricocheting neutroner fra atomerne i yttrium manganit (YMnO ₃ ) opvarmet til 3, 000 grader Fahrenheit, forskere har opdaget de atomiske mekanismer, der giver det usædvanlige materiale dets sjældne elektromagnetiske egenskaber. Opdagelsen kan hjælpe forskere med at udvikle nye materialer med lignende egenskaber til nye computerenheder og mikroaktuatorer.

Eksperimentet blev udført som et samarbejde mellem Duke University og Oak Ridge National Laboratory (ORNL) og optrådte online i Naturkommunikation den 2. januar, 2018.

Ferromagnetisme er den videnskabelige betegnelse for fænomenet, der er ansvarlig for permanente magneter som jern. Sådanne materialer eksisterer, fordi deres molekylære struktur består af små magnetiske pletter, der alle peger i samme retning. Hver patch, eller domæne, siges at have et magnetisk dipolmoment, med en nord- og en sydpol, hvilken, lagt sammen, producere de magnetfelter, der så ofte ses på arbejdet på køleskabsdøre.

Ferroelektricitet er en lignende egenskab, men mere sjælden og vanskelig at begrebsmæssigt. På nogenlunde samme måde som en permanent magnet, et ferroelektrisk materiale består af domæner med elektriske dipolmomenter på linje med hinanden. Dette producerer et naturligt forekommende permanent elektrisk felt, som en samling af mikroskopiske balloner med en langvarig ladning af statisk elektricitet.

Yttriummanganit er et af de meget få materialer, der kombinerer både den ferroelektriske egenskab og også magnetisk bestilling ved ekstremt kolde temperaturer. Denne sjældne kombination præsenterer den interessante mulighed for at kontrollere materialets magnetiske egenskaber med elektricitet og omvendt. Udnyttelse af denne evne kunne lade forskerne skabe mere effektive computere baseret på firecifrede tilstande i stedet for blot nutidens 1'ere og 0'ere ved at vende både elektriske og magnetiske tilstande, samt nye typer sensorer og energiomformere.

"Disse såkaldte multi-ferro-materialer er meget sjældne, "sagde Olivier Delaire, lektor i maskinteknik og materialevidenskab og fysik hos Duke. "Men hvis vi kan forstå mekanismerne for, hvad der sker på atomniveau, vi har en bedre chance for at designe og opdage flere materialer, der muliggør nye teknologier."

Fordi den ferroelektriske adfærd af yttriummanganit kun slukker over 3000 grader Fahrenheit, forskere har aldrig været i stand til at undersøge de atomare vibrationsbølger, der giver det ønskede arrangement af mikroskopiske elektriske dipoler. Mens de molekylære underlag for yttrium manganit's ferroelektriske egenskaber er blevet teoretiseret, der har aldrig været direkte målinger for at bevise dem.

For at afgøre, hvordan ejendommen opstår, forskere skal undersøge de bølgelignende vibrationer ved stabling af atomer i materialet, som svinger ved frekvenser over tusind milliarder gange i sekundet. De skal også gøre dette både over og under den 3000 graders ferroelektriske koblingstemperatur, hvilket er en høj opgave, mildest talt. Men det er præcis, hvad forskerne gjorde.

"Det var udfordrende at måle atomoscillationerne over 3000 Fahrenheit, "sagde Dipanshu Bansal, en postdoktor i Delaire -forskergruppen hos Duke og hovedforfatteren på undersøgelsen. "Det krævede højintensive neutronstråler, særlige materialer med høj temperatur og en ovn med kontrolleret atmosfære, der opvarmer prøven i luften for at undgå at nedbryde prøven, som ellers ville ske i en mere standard vakuumovn. "

Eksperimenterne involverede at skyde den ekstremt varme prøve af yttrium manganit med neutroner. Ved at opdage, hvor neutronerne endte efter at have kollideret med prøveens atomer, forskerne kunne bestemme, hvor atomerne var, og hvordan de i fællesskab svingede. Der er meget få steder i verden, der har sådanne muligheder, og Oak Ridge National Laboratory, et par timers kørsel fra Duke, tilfældigvis er vært for både High-Flux Isotope Reactor og Spallation Neutron Source, den mest kraftfulde kilde til neutronstråler i verden.

Forskerne undersøgte materialet ved hjælp af neutroner ved forskellige energier og bølgelængder, giver et samlet billede af dets atomiske adfærd. De fandt ud af, at over overgangstemperaturen, en bestemt gruppe atomer var frie til at bevæge sig rundt og vibrerede sammen på en bestemt måde. Men da materialet afkøledes og skiftede faser, disse atomer frøs ind i det permanente krystallinske arrangement, der er ansvarligt for de ferroelektriske egenskaber.

Og for at bekræfte neutronresultaterne, forskerne brugte også de ultralette røntgenstråler ved Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory og udførte kvantesimuleringer i stor skala af atomadfærd med supercomputerne fra National Energy Research Scientific Computing Center ved Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Dette materiale blev aldrig tidligere forstået på et så fint atomistisk niveau, "sagde Bansal og Delaire." Vi har haft teorier om betydningen af ​​atomoscillationer, men det er første gang, vi har bekræftet dem direkte. Vores eksperimentelle resultater vil give forskere mulighed for at forfine teorier og skabe bedre modeller af disse materialer, så vi kan designe endnu bedre i fremtiden. "