Neutroner hjælper med at afmystificere multiferroiske materialer

Materialer, der bruges i elektroniske enheder, vælges typisk, fordi de besidder enten særlige magnetiske eller specielle elektriske egenskaber. Imidlertid, et internationalt team af forskere, der bruger neutronspredning, identificerede for nylig et sjældent materiale, der har begge dele.

I deres papir offentliggjort i Avancerede materialer , holdet, herunder forskere fra Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), illustrerer, hvordan dette unikke ægteskab opnås i multiferroisk materiale BiMn3Cr4O12. Mange materialer er kendt for kun en karakteristisk magnetisk eller elektrisk egenskab, eller for at have evnen til at ændre form, men multiferroics indeholder en kombination af disse attributter.

Multiferroics er typisk opdelt i to forskellige kategorier:konventionel (type-1) og ukonventionel (type-2). Konventionelle multiferroics styres overvejende af elektricitet og udviser svage interaktioner med magnetisme. Omvendt utraditionelle multiferroics drives af magnetisme og udviser stærke elektriske interaktioner.

"Vi har fundet et interessant eksempel på fælles multiferroicitet, hvilket betyder, at både konventionel og ukonventionel multiferroicitet udvikler sig efter hinanden i det samme materiale, "sagde ORNL -forsker Huibo Cao.

En grund til, at multiferroics er så ønskelige, er, at deres dobbelte egenskaber kan kontrolleres i kombination med hinanden, at sørge for, for eksempel, elektrisk styret magnetisme eller magnetisk styrede elektriske egenskaber. Forskere siger, at en bedre forståelse af, hvordan disse multifunktionelle materialer opfører sig, kan føre til betydelige fremskridt inden for informationslagring og effektydelse i nye enheder.

For eksempel, materialer med den optimerede kombination af begge multiferroiske mekanismer kunne bruges som effektive switches, magnetfelt sensorer, og hukommelsesenheder.

"Med dette materiale, vi ser potentialet til at nå ud over det typiske anvendelsesområde for multiferroiske applikationer og få betydelig indflydelse på en række praktiske projekter, "Sagde Cao.

Disse indsigter kan også tjene som et fundament for at hjælpe forskere med at udvikle lignende materialer, der indeholder denne blanding af egenskaber.

"Eksistensen af ​​dette sjældne materiale og evnen til at finde andre som det giver en ny række spændende muligheder for fremtidig forskning og udvikling, "sagde ORNL -forskeren Stuart Calder.

Neutroner er den mest egnede sonde til at studere disse materialers magnetisme og skelne mellem de forskellige former for multiferroisk adfærd. Fordi neutroner ikke har ladning, de kan let undersøge krystalstrukturadfærd i komplekse prøvemiljøer såsom trykceller. På samme tid, de har spin og evnen til at opføre sig som magneter, hvilket gør dem ideelle til at studere magnetisme.

Ved at udsætte en prøve for varierende temperaturer, magnetiske/elektriske felter, og pres, forskerne kan observere, hvordan atomstrukturen og magnetiske egenskaber reagerer på miljøfaktorer og på hinanden, som yderligere kunne guide design af nye materialer.

Teamet udførte målinger af neutronspredning ved ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR), en DOE Office of Science brugerfacilitet. Brug af neutronpulverdiffraktometerinstrumentet, HFIR beamline HB-2A, de bestemte, hvordan materialets magnetiske strukturer korrelerer med dets ferroelektriske polarisering, hvilket er den lille adskillelse mellem centrene for positiv og negativ ladning i de atomenheder, der udgør krystalstrukturen.

"Med neutroner, vi kan se, hvordan disse magnetiske strukturer er beordret til bedre at forstå de forskellige typer multiferroer, "Calder sagde." Vi er begyndt at løse nogle af de mysterier, der omgiver disse materialer. "