Onderzoekers van het MIPT en hun collega's van de Ural Federal University hebben optische en akoestische benaderingen gecombineerd en ontdekten dat het opnemen van titaniumatomen in bariumhexaferriet leidt tot de vorming van een onverwachte substructuur in het kristalrooster. Het resulterende materiaal is veelbelovend voor ultrasnelle computergeheugentoepassingen. De bevindingen zijn gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Een multiferroïcum is een materiaal dat wordt gekenmerkt door meer dan één type interne ordening. Bijvoorbeeld, het kan zowel ferro-elektrische als ferromagnetische eigenschappen vertonen, afhankelijk van de temperatuur. Dit betekent dat het materiaal spontane polarisatie ondergaat in een bepaald temperatuurbereik, en onder een andere kritische temperatuur, het wordt zelfs gemagnetiseerd als er geen extern magnetisch veld is.

Onderzoekers bestuderen de fundamentele eigenschappen van multiferroics om materialen te creëren met gewenste eigenschappen die op een gecontroleerde manier kunnen worden gewijzigd. Multiferroics zijn toepasbaar in ultrasnelle magnetische geheugenapparaten, anti-reflecterende coatings, en snelle gegevensoverdracht op terahertz-frequenties - dat wil zeggen, binnen een biljoenste van een seconde.

De onderzoekers combineerden optische en akoestische benaderingen in een experiment om de eigenschappen van met titanium gedoteerd bariumhexaferriet te onderzoeken. De studie combineerde terahertz-spectroscopie met de analyse van de verzwakking en snelheid van ultrasone golven, het onthullen van een ongewoon gedrag van het materiaal.

"Optica en akoestiek zijn als zien en horen, omdat ze elkaar aanvullen in plaats van herhalen. De twee kanalen samen zorgen voor een vollediger begrip van een object, " zei Liudmila Alyabyeva, die toezicht houdt op multiferroics-onderzoek bij het Terahertz Spectroscopie Lab van het MIPT. "Wanneer twee zeer verschillende experimentele technieken aantonen dat bepaalde verschijnselen optreden bij een bepaalde temperatuur, dat is een sterke aanwijzing dat er op microscopisch niveau iets in het monster gebeurt. Dus we moeten het mechanisme achter die effecten identificeren."

De wetenschappers vonden een manier om zowel de ongebruikelijke optische eigenschappen van het materiaal als de akoestische te verklaren. Het bleek dat door titanium in bariumhexaferriet op te nemen, het ijzeren subrooster in het materiaal wordt aangetast. De aanwezigheid van de vreemde atomen zorgt ervoor dat sommige ijzeratomen hun oxidatietoestand veranderen en het zogenaamde Jahn-Teller-subrooster vormen - een secundaire structuur binnen het kristalrooster van het materiaal.

Wanneer vreemde atomen in het rooster van een kristal worden geplaatst, ze vervangen enkele van de gastheeratomen. In het geval van bariumhexaferriet, titanium vervangt een deel van het ijzer. Echter, wat de twee elementen anders maakt, is dat ijzer een valentie van drie heeft in hexaferriet, en titanium is vierwaardig. Dit betekent dat de ionen van deze twee metalen in het kristal verschillen in grootte en elektrische lading.

"Als een driewaardig ijzerion wordt vervangen door het kleinere vierwaardige titaniumion, dit vervormt het rooster en schendt de elektrische neutraliteit. Maar de elektrische neutraliteit moet op de een of andere manier blijven bestaan, het is een fundamentele regel, " legde Boris Gorshunov uit, die aan het hoofd staat van het Terahertz Spectroscopie Lab bij MIPT. "Als gevolg hiervan worden sommige van de naburige ijzeratomen tweewaardig om de lading van de titaniumionen te compenseren." Deze structurele veranderingen zijn de reden van de ongebruikelijke optische en akoestische eigenschappen van het materiaal die door het team zijn waargenomen.

"Onze studie is de eerste die een nieuw mechanisme belicht dat aanleiding geeft tot een subrooster van Jahn-Teller-centra. In plaats van te worden gevormd door onzuivere atomen, zoals gewoonlijk het geval is, het subrooster bestaat uit enkele van de gastheerkristalatomen, " zei professor Vladimir Gudkov van de federale universiteit van Oeral.

De opkomst van het Jahn-Teller-subrooster in het kristal leidt tot ongebruikelijke en potentieel waardevolle eigenschappen. Bijvoorbeeld, de magnetische subsystemen die in het materiaal ontstaan, kunnen worden gebruikt in ultrasnel computergeheugen, opnieuw gemagnetiseerd door terahertz-straling, ook wel T-golven genoemd.