Følelse af belastningen:Forskydningseffekter i magnetoelektrisk kobling

Den høje opløsning og rigdom af data leveret af et eksperiment hos Diamond kan føre til uventede opdagelser. De piezoelektriske egenskaber af den keramiske perovskit PMN-PT (0,68Pb(Mg) ₁ /3Nb ₂ /3)O ₃ –0,32PbTiO ₃ ) er meget udbredt i kommercielle aktuatorer, hvor belastningen, der genereres, varierer kontinuerligt med påført spænding. Imidlertid, hvis den påførte spænding cykles korrekt, er der diskontinuerlige ændringer af belastningen. Disse diskontinuerlige ændringer kan bruges til at drive magnetisk kobling i en tynd overliggende ferromagnet, gør det muligt at skrive magnetisk information elektrisk. Et internationalt hold af forskere brugte beamline I06 til at undersøge en ferromagnetisk film af nikkel, da den fungerede som en følsom strain gauge for enkeltkrystal PMN-PT. Deres indledende fortolkning af resultaterne antydede, at ferroelektrisk domæneskift roterede de magnetiske domæner i filmen med den forventede vinkel på 90°, men en nærmere undersøgelse viste, at det sande billede var mere komplekst.

Deres arbejde, for nylig udgivet i Naturmaterialer , viser, at den ferroelektriske domæneomskiftning roterede de magnetiske domæner i filmen med betydeligt mindre end 90° på grund af en medfølgende forskydningsbelastning. Resultaterne giver både en udfordring og en mulighed for design af næste generations datalagringsenheder, og vil helt sikkert være relevant, hvis arbejdet udvides til at udforske den elektrisk drevne manipulation af mere komplekse magnetiske teksturer.

Nogle faste materialer udvikler elektrisk ladning som reaktion på en påført mekanisk belastning. Denne piezoelektriske effekt betyder, at visse krystaller kan bruges til at omdanne mekanisk energi til elektricitet eller omvendt, og piezoelektriske materialer bruges i en række forskellige teknologier, herunder automatisk fokusering af kameraer i mobiltelefoner. For disse applikationer, belastningen varierer kontinuerligt med påført spænding, men cykling af den påførte spænding kan føre til diskontinuerlige ændringer af belastningen på grund af ferroelektrisk domæneskift. Disse diskontinuerlige ændringer i belastningen kan bruges til at drive magnetisk omskiftning i en tynd ferromagmentfilm, så data kan skrives elektrisk, og opbevares magnetisk.

Da et internationalt hold af forskere kom til Diamond for at undersøge denne effekt, de brugte fotoemissionselektronmikroskopi (PEEM) kombineret med røntgen cirkulær magnetisk dikroisme (XMCD) for at give magnetisk kontrast. De brugte en ferromagnetisk film af nikkel som en følsom strain gauge for enkelt-krystal PMN-PT, mens spændingen varieres over krystallen. Mikroskopiske målinger involverede at kombinere to XMCD-PEEM-billeder for at danne et magnetisk vektorkort.

Ved første øjekast, disse mikroskopiske målinger viste, hvad holdet forventede at se - magnetiske domæner, der tilsyneladende roterede 90° på grund af ferroelektrisk domæneskift. Makroskopiske magnetiske målinger, der blev foretaget ved hjælp af vibrerende prøvemagnetometri, førte til samme konklusion. Imidlertid, højopløsningsdataene fra Diamond gav mulighed for at grave lidt dybere.

For professor Neil Mathur ved University of Cambridge, at se nærmere på virkede indlysende. "Dataene gjorde det muligt for os at foretage en pixel-for-pixel sammenligning af billederne, og jeg følte, at vi skulle gøre det, simpelthen fordi vi kunne."

uventet, pixel-for-pixel-sammenligningen afslørede, at de magnetiske koblingsvinkler typisk faldt langt under 90°. Dette kunne let forklares ved at inkludere en forskydningskomponent, forudsagt ud fra PMN-PT-enhedscellegeometrien.

Det ser ud til, at forskere har forenklet den magnetoelektriske respons af PMN-PT-baserede heterostrukturer i årevis, men det er let at forstå hvorfor. Makroskopiske målinger gennemsnit både med uret og mod uret magnetiske domænerotationer, annullering af den magnetiske signatur af forskydningskomponenterne. Analyse af mikroskopiske målinger udføres normalt med et farvehjul, som gør det nemt at se, om magnetiske domæner er orienteret op/ned eller højre/venstre, men hver farve, vi opfatter, dækker en bred vifte af vinkler, maskering af sandheden.

Udfordringer og muligheder

Denne nye opdagelse bør kunne anvendes på lignende materialer, og tilbyder både en udfordring og en mulighed for udvikling og miniaturisering af enheder baseret på magnetoelektriske materialer.

Professor Mathur forklarer:"Vores konstatering betyder, at disse systemer vil opføre sig anderledes end, hvad man oprindeligt ville have forventet efter miniaturisering. Dette vil være en udfordring for enhedsdesignere, men der er også en kæmpe mulighed her, fordi det betyder, at to sæt data kan skrives til den samme enhed med magnetiske og elektriske felter, dermed fordoble lagringstætheden."

I fremtiden, Professor Mathur mener, at det vil blive normalt at overveje den forskydningsbelastning, der opstår, når lavsymmetriske ferroelektriske domæner undergår omskiftning.

Holdet fortsætter nu deres arbejde ved at se på mere komplekse magnetiske teksturer, såsom skyrmioner. De ønsker at undersøge, hvordan disse komplekse objekter kan ødelægges, skabt og modificeret af elektrisk drevet belastning, og om de kan skabe magnetiske teksturer, som simpelthen ikke er set før.