Forskere validerer 80-årig ferroelektrisk teori

Forskere har med succes demonstreret, at hypotetiske partikler, der blev foreslået af Franz Preisach i 1935, faktisk eksisterer. I en artikel offentliggjort i Naturkommunikation , forskere fra universiteterne i Linköping og Eindhoven viser, hvorfor ferroelektriske materialer fungerer, som de gør.

Ferroelektricitet er den mindre kendte tvilling af ferromagnetisme. Jern, kobolt og nikkel er eksempler på almindelige ferromagnetiske materialer. Elektronerne i sådanne materialer fungerer som små magneter, dipoler, med en nordpol og en sydpol. I en ferroelektrisk, dipolerne er elektriske frem for magnetiske, og har en positiv og negativ pol.

I fravær af et anvendt magnetisk (for en ferromagnet) eller elektrisk (for et ferroelektrisk) felt, dipolernes orientering er tilfældig. Når et tilstrækkeligt stærkt felt anvendes, dipolerne flugter med det. Dette felt er kendt som det kritiske (eller tvangsmæssige) felt. Overraskende nok, i et ferro -materiale, justeringen forbliver, når feltet fjernes, og materialet er permanent polariseret. For at ændre polariseringsretningen, et mindst lige så stærkt felt som det kritiske felt skal anvendes i den modsatte retning. Denne effekt er kendt som hysterese - materialets adfærd afhænger af, hvad der tidligere er sket med det. Hysterese gør disse materialer særdeles velegnede som omskrivbar hukommelse, for eksempel, i harddiske.

I et ideelt ferroelektrisk materiale, hele stykket skifter sin polarisering, når det kritiske felt er nået, og det gør det med en veldefineret hastighed. I ægte ferroelektriske materialer, forskellige dele af materialet skifter polarisering på forskellige kritiske felter, og med forskellige hastigheder. At forstå denne ikke-idealitet er nøglen til anvendelse i computerhukommelse.

En model for ferroelektricitet og ferromagnetisme blev udviklet af den tyske forsker Franz Preisach allerede i 1935. Den rent matematiske Preisach -model beskriver ferromaterialer som en stor samling af små, uafhængige moduler kaldet hysteroner. Hver hysteron viser ideel ferroadfærd, men har sit eget kritiske felt, der kan variere fra hysteron til hysteron. Det er generelt enigt om, at modellen giver en nøjagtig beskrivelse af virkelige materialer, men forskere har ikke forstået den fysik, modellen er bygget på. Hvad er hysteronerne? Hvorfor adskiller deres kritiske felter sig, som de gør? Med andre ord, hvorfor virker ferroelektriske materialer som de gør?

Professor Martijn Kemerinks forskningsgruppe (Komplekse materialer og enheder på LiU), i samarbejde med forskere ved University of Eindhoven, har nu undersøgt to organiske ferroelektriske modelsystemer og fundet forklaringen. Molekylerne i de undersøgte organiske ferroelektriske materialer ligger gerne oven på hinanden, danner cylindriske stakke på omkring en nanometer bred og flere nanometer lange.

"Vi kunne bevise, at disse stakke faktisk er de eftertragtede hysteroner. Tricket er, at de har forskellige størrelser og stærkt interagerer med hinanden, da de er så tæt pakket. Bortset fra sin egen unikke størrelse, hver stak føler derfor et andet miljø med andre stakke, hvilket forklarer Preisach -distributionen, "siger Martijn Kemerink.

Forskerne har vist, at den ikke-ideelle omskiftning af et ferroelektrisk materiale afhænger af dets nanostruktur-især hvor mange stakke interagerer med hinanden, og detaljerne i den måde, de gør dette på.

"Vi var nødt til at udvikle nye metoder til at måle skiftet af individuelle hysteroner for at teste vores ideer. Nu hvor vi har vist, hvordan molekylerne interagerer med hinanden på nanometerskalaen, vi kan forudsige hysteresekurvens form. Dette forklarer også, hvorfor fænomenet fungerer, som det gør. Vi har vist, hvordan hysteronfordelingen opstår i to specifikke organiske ferroelektriske materialer, men det er ganske sandsynligt, at dette er et generelt fænomen. Jeg er ekstremt stolt af mine ph.d. -studerende, Indre Urbanaviciute og Tim Cornelissen, som har formået at opnå dette, "siger Martijn Kemerink.

Resultaterne kan guide design af materialer til nye, såkaldte multi-bit minder, og er et yderligere skridt på vejen til de små og fleksible minder om fremtiden.