Små elektriske hvirvler slår bro mellem ferroelektriske og ferromagnetiske materialer

Ferromagnetiske materialer har et selvgenererende magnetfelt, ferroelektriske materialer genererer deres eget elektriske felt. Selvom elektriske og magnetiske felter er beslægtede, fortæller fysikken os, at de er meget forskellige materialeklasser. Nu tyder opdagelsen af ​​University of Warwick-ledede videnskabsmænd af et komplekst elektrisk 'hvirvel'-lignende mønster, der afspejler dets magnetiske modstykke, at de faktisk kunne være to sider af samme mønt.

Detaljeret i en ny undersøgelse for tidsskriftet Nature, finansieret af Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), en del af UK Research and Innovation, og Royal Society, giver resultaterne det første bevis på en proces i ferroelektriske materialer, der kan sammenlignes med Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen i ferromagneter. Denne særlige interaktion spiller en central rolle i stabiliseringen af ​​topologiske magnetiske strukturer, såsom skyrmioner, og det kan være afgørende for potentielle nye elektroniske teknologier, der udnytter deres elektriske analoger.

Bulk ferroelektriske krystaller er blevet brugt i mange år i en række teknologier, herunder ekkolod, lydtransducere og aktuatorer. Alle disse teknologier udnytter de iboende elektriske dipoler og deres indbyrdes forhold mellem materialets krystalstruktur og anvendte felter.

Til denne undersøgelse skabte forskerne en tynd film af det ferroelektriske blytitanat, der var klemt mellem lagene af ferromagnetens strontiumruthenat, hver omkring 4 nanometer tyk - kun to gange tykkelsen af ​​en enkelt DNA-streng.

Mens atomerne i de to materialer danner en enkelt kontinuerlig krystalstruktur, vil den elektriske polarisering i det ferroelektriske blytitanat-lag normalt danne flere 'domæner', som en honeycomb. Disse domæner kan kun observeres ved hjælp af state-of-the-art transmissionselektronmikroskopi og røntgenspredning.

Men da University of Warwick-teamet undersøgte strukturen af ​​de kombinerede lag, så de, at domænerne i blytitanatet var en kompleks topologisk struktur af linier af hvirvler, der drejede skiftevis i forskellige retninger.

Næsten identisk adfærd er også blevet set i ferromagneter, hvor det vides at blive genereret af Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen (DMi).

Hovedforfatter professor Marin Alexe fra University of Warwick Department of Physics sagde:"Hvis du ser på, hvordan disse karakteristika skalerer ned, bliver forskellen mellem ferromagnetisme og ferroelektricitet mindre og mindre vigtig. Det kan være, at de vil smelte sammen på et tidspunkt i et unikt materiale. Dette kunne være kunstigt og kombinere meget små ferromagneter og ferroelektrik for at drage fordel af disse topologiske egenskaber. Det er meget klart for mig, at vi er på toppen af ​​isbjerget for så vidt angår, hvor denne forskning vil gå hen."

Medforfatter Dorin Rusu, en postgraduate-studerende ved University of Warwick, sagde:"At indse, at dipolære teksturer i ferroelektrik, der i en sådan grad efterligner deres magnetiske modstykke, sikrer yderligere forskning i den grundlæggende fysik, der driver sådanne ligheder. Dette resultat er ikke et triviel sag, når man tænker på forskellen i oprindelsen og styrken af ​​de elektriske og magnetiske felter."

Eksistensen af ​​disse hvirvler var tidligere blevet teoretiseret, men det krævede brugen af ​​banebrydende transmissionselektronmikroskoper ved University of Warwick, såvel som brugen af ​​synkrotroner på fire andre faciliteter, for nøjagtigt at observere dem. Disse teknikker gjorde det muligt for forskerne at måle hvert atoms position med en høj grad af sikkerhed.

Medforfatter professor Ana Sanchez sagde:"Elektronmikroskopi er en spilskiftende teknik til at forstå disse topologiske strukturer. Det er nøgleværktøjet til at afsløre ins og outs af disse nye materialer ved at bruge en subatomær stråle af elektroner til at generere billeder af indre struktur."

Medforfatter professor Thomas Hase tilføjede:"At få adgang til avancerede faciliteter i Storbritannien, Europa og USA har været afgørende for denne særlige forskning." + Udforsk yderligere

Søgning efter skyrmion-fænomen finder endnu mærkeligere halskæde med magnetiske perler