Lille, men selvpålagt:Titanium ændrer værtsgitteratoms adfærd

Forskere fra MIPT og deres kolleger fra Ural Federal University har kombineret optiske og akustiske tilgange og fundet ud af, at inkorporering af titaniumatomer i bariumhexaferrit fører til en uventet understruktur, der dannes i krystalgitteret. Det resulterende materiale er lovende til ultrahurtige computerhukommelsesprogrammer. Resultaterne blev offentliggjort i Videnskabelige rapporter .

En multiferroic er et materiale, der er kendetegnet ved mere end én type intern bestilling. For eksempel, det kan udvise både ferroelektriske og ferromagnetiske egenskaber, afhængig af temperatur. Dette betyder, at materialet undergår spontan polarisering i et bestemt temperaturområde, og under en anden kritisk temperatur, det bliver magnetiseret selv i fravær af et eksternt magnetfelt.

Forskere studerer multiferroics grundlæggende egenskaber for at skabe materialer med ønskede egenskaber, der kan ændres på en kontrolleret måde. Multiferroics kan anvendes i ultrahurtige magnetiske hukommelsesenheder, antireflekterende belægninger, og hurtig datatransmission ved terahertz -frekvenser - det vil sige inden for billioner af et sekund.

Forskerne smeltede optiske og akustiske tilgange i et eksperiment for at undersøge egenskaberne af titandopet bariumhexaferrit. Undersøgelsen kombinerede terahertz -spektroskopi med analyse af ultralydbølgedæmpning og hastighed, afslører en usædvanlig opførsel af materialet.

"Optik og akustik er som syn og hørelse, idet de komplementerer snarere end gentager hinanden. De to kanaler giver sammen en mere fuldstændig forståelse af et objekt, "sagde Liudmila Alyabyeva, der fører tilsyn med multiferroics -forskning på MIPT's Terahertz Spectroscopy Lab. "Når to meget forskellige eksperimentelle teknikker viser, at visse fænomener opstår ved en bestemt temperatur, det er en stærk indikation på, at der sker noget i prøven på mikroskopisk niveau. Så vi er nødt til at identificere mekanismen bag disse effekter. "

Forskerne fandt en måde at forklare både materialets usædvanlige optiske egenskaber og de akustiske. Det viste sig, at ved at inkorporere titanium i bariumhexaferrit, jernsubstraten i materialet påvirkes. Tilstedeværelsen af ​​de fremmede atomer får nogle af jernatomerne til at ændre deres oxidationstilstand og danne det, der er kendt som Jahn-Teller-undergitteret-en sekundær struktur i materialets krystalgitter.

Når fremmede atomer indsættes i gitteret af en krystal, de erstatter nogle af værtsatomer. I tilfælde af bariumhexaferrit, titanium erstatter noget af jernet. Imidlertid, det, der gør de to elementer forskellige, er, at jern har en valens på tre i hexaferit, og titanium er quadrivalent. Det betyder, at ionerne af disse to metaller i krystallen er forskellige i størrelse og elektrisk ladning.

"Når en trivalent jernion bliver erstattet af den mindre quadrivalente titaniumion, dette forvrænger gitteret og krænker elektrisk neutralitet. Men den elektriske neutralitet skal på en eller anden måde vedvare, det er en grundlæggende regel, "forklarede Boris Gorshunov, der leder Terahertz Spectroscopy Lab på MIPT. "Som et resultat bliver nogle af de nærliggende jernatomer toværdige for at opveje ladningen af ​​titaniumionerne." Disse strukturelle ændringer er årsagen til materialets usædvanlige optiske og akustiske egenskaber observeret af teamet.

"Vores undersøgelse er den første til at fremhæve en ny mekanisme, der giver anledning til en undergitter af Jahn-Teller-centre. I stedet for at blive dannet af urenhedsatomer, som normalt er tilfældet, undergitteret består af nogle af værts -krystalatomer, "sagde Ural Federal University Professor Vladimir Gudkov.

Fremkomsten af ​​Jahn-Teller-undergitteret i krystallen fører til usædvanlige og potentielt værdifulde egenskaber. For eksempel, de magnetiske undersystemer, der opstår i materialet, kan bruges i ultrahurtig computerhukommelse, genmagnetiseret af terahertz -stråling, også kendt som T-bølger.