Multiferroiske materialer, hvor elektriske og magnetiske egenskaber kombineres på lovende måder, vil være hjertet i nye løsninger til datalagring, dataoverførsel og kvantecomputere. I mellemtiden er forståelse af oprindelsen af sådanne egenskaber på et grundlæggende niveau nøglen til udvikling af applikationer, og neutroner er den ideelle sonde.
Neutroner har et magnetisk dipolmoment, der gør dem følsomme over for magnetiske felter genereret af uparrede elektroner i materialer. Dette gør neutronspredningsteknikker til et kraftfuldt værktøj til at undersøge den magnetiske opførsel af materialer på atomniveau.
Historien om de såkaldte lagdelte perovskitter og de banebrydende resultater, der nu er offentliggjort, er et paradigmatisk eksempel, der fremhæver både rollen som grundlæggende undersøgelser i udviklingen af anvendelser og af kraften i neutroner. At være en lovende klasse af materialer, der udviser koblede magnetiske og elektriske bestillingsegenskaber ved omgivelsestemperaturer, den magnetiske struktur af de lagdelte perovskitter Ybacufeo5—Og således oprindelsen af deres interessante magneto-elektriske opførsel-var stadig at være entydigt bestemt.
Resultaterne, der nu er offentliggjort i Kommunikationsmaterialepræciserer den spiralmagnetiske struktur af disse materialer, og etablerer endelig den fælles oprindelse af dens lovende magnetiske og elektriske egenskaber op til stuetemperaturer. Eksperimenterne blev fuldt udført på ILL ved hjælp af fem instrumenter ud af en avanceret pakke på over 40 og drager fordel af avancerede prøvemiljøteknologier.
“Denne undersøgelse fjernede væsentlige uklarheder og dækkede kløften skabt af manglen på en-krystalundersøgelser,” J. Alberto Rodríguez-Velamazán, ILL-forsker og D3-instrumentets ansvarlige. “Al undersøgelsen blev udført med neutroner alene, idet de var afhængige af kombinationen af forskellige diffraktionsteknikker og tilgængelige kapaciteter på ILL.”
Små spiralmagneter
Magneto-elektrisk multiferroik er materialer, hvor elektriske og magnetiske ordrer sameksisterer. Kombinationen af ferroelektricitet (kendetegnet ved en netto elektrisk polarisering) og langvarig magnetisk rækkefølge (på grund af justeringen af magnetiske øjeblikke, der stammer fra ikke-koblede elektronspins), er meget efterspurgt fra et teknologisk perspektiv.
I nogle multiferroik er elektriske og magnetiske egenskaber stærkt koblet: justeringen af de magnetiske øjeblikke inducerer ladningsseparationen. Et veletableret tilfælde af stærkt koblet elektrisk og magnetisk rækkefølge er spiralmagnetisk rækkefølge-nabo-spins arrangerer sig i et spiralmønster, som igen er i stand til at skabe elektriske dipoler.
Koblede magnetiske og elektriske ordrer gør det muligt at handle på de magnetiske egenskaber ved hjælp af et elektrisk felt og handle på de elektriske egenskaber ved hjælp af et magnetfelt. Koblet multiferroik er således lovende materialer til at designe nye enheder.
Især ved at bruge et elektrisk (snarere end magnetisk) felt til at handle i den magnetiske rækkefølge – for eksempel at ændre tilstanden for en smule i en lagerenhed eller til at manipulere spin -tilstande – er meget mindre energiforbrugende. Desuden er sådanne materialer normalt mindre ustabile (mindre forstyrret af eksterne magnetfelter), hvilket øger stabiliteten i enheder og giver mulighed for yderligere miniaturisering.
Spiralmultiferroik er knappe. Faktisk pålægges temmelig alvorlige begrænsninger på symmetrien og geometrien af materialets mikroskopiske struktur for sådanne særegne egenskaber at opstå. I de fleste multiferroiske materialer leverer den karakteristiske rækkefølge kun ved meget lave temperaturer. I praksis begrænser dette stærkt muligheden for implementering i enheder.
At holde ‘cool’ ved høje temperaturer: afsløring af perovskitmysterier med neutroner
Layered Perovskites (rbacufeo5) er et sjældent tilfælde, der udstiller koblede magnetiske og elektriske bestillingsegenskaber ved omgivelsestemperaturer, og dermed en lovende klasse af materialer til applikationer. Mens deres multiferroiske opførsel ved høje temperaturer var veletableret, var den underliggende magnetiske struktur-og dermed oprindelsen af deres interessante magneto-elektriske opførsel-stadig entydigt bestemt.
Faktisk blev der udtænkt en ikke-konventionel mekanisme (kaldet “spiralordre efter lidelse”), der kunne redegøre for den ekstraordinære termiske stabilitet af deres formodede spiralmagnetiske orden. Ikke desto mindre var der ingen afgørende data, der understøtter eksistensen af spiralordre i disse materialer.
Faktisk var de tilgængelige resultater, opnået med polykrystallinske prøver under anvendelse af pulverneutrondiffraktionsmålinger, kompatible med spiralordre, men også med sinusformet spinmodulation – et arrangement, der ikke ville give anledning til ferroelektricitet. En undersøgelse, der var i stand til at adskille de to muligheder, manglede stadig.
Mens de interessante observerede makroskopiske egenskaber af materialet stadig ville være der, ville fraværet af spiralordre betyde, at vi ikke rigtig forstod deres mikroskopiske oprindelse, da den eksisterende forklaring på, hvad der virkelig skete i materialet, ikke ville have – bestemt ikke en Godt udgangspunkt for udvikling af applikationer baseret på dette materiale.
Undersøgelsen nu offentliggjort i Kommunikationsmateriale Udfyldt i dette hul, i det væsentlige ved at tage to meget vigtige skridt fremad.
Det første vigtige trin var at gå fra en polykrystallinsk pulverprøve til enkeltkrystaller af høj kvalitet. Krystallerne blev dyrket og karakteriseret ved Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC, Spanien). Deres magnetiske struktur blev derefter i vid udstrækning analyseret med neutroner ved ILL.
Instrument Orient Express blev brugt til at tage snapshots af krystallen, hvilket tillader at vurdere dens kvalitet og orientering. Laue -diffraktometeret cyclops udvidede derefter disse målinger til kryogene temperaturer og undersøgte hurtigt det fulde gensidige rum, hvilket gjorde det muligt for forskere at vælge den mest lovende prøve til de yderligere monokromatiske eksperimenter. Omfattende målinger, hvor de derefter udføres med den monokromatiske enkeltkrystalldiffraktometre D10 og D9.
Det andet afgørende trin var brugen af polariserede neutroner. Faktisk tillader muligheden for at fremstille bjælker af polariserede neutroner (med alle deres spins parallelle) at præcisere magnetisk information meget mere præcist, hvilket letter dechiffringen af komplekse magnetiske strukturer. Sfærisk neutronpolarimetri (SNP) eksperimenter blev udført ved Hot Neutron Diffractometer D3. Den magnetoelektriske respons blev undersøgt ved hjælp af et elektrisk felt.
“Vores fund bekræfter ikke kun, at den magnetiske rækkefølge i vores krystal er spiral, men også demonstrerer, at kationisk lidelse er ansvarlig for at stabilisere denne spiralstruktur. Denne indsigt strækker sig til prøver af den perovskitiske familie, hvor der er observeret lignende rækkefølge godt over stuetemperatur I pulverprøver afslutter “Rodríguez-Velamazán.