Materialen die in elektronische apparaten worden gebruikt, worden meestal gekozen omdat ze speciale magnetische of speciale elektrische eigenschappen hebben. Echter, een internationaal team van onderzoekers die neutronenverstrooiing gebruiken, heeft onlangs een zeldzaam materiaal geïdentificeerd dat beide heeft.

In hun paper gepubliceerd in Geavanceerde materialen , het team, waaronder onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE), illustreert hoe dit unieke huwelijk wordt bereikt in het multiferroïsche materiaal BiMn3Cr4O12. Veel materialen staan ​​bekend om slechts één karakteristieke magnetische of elektrische eigenschap, of voor het vermogen om van vorm te veranderen, maar multiferroics bevatten een combinatie van deze attributen.

Multiferroics worden doorgaans onderverdeeld in twee verschillende categorieën:conventioneel (type-1) en onconventioneel (type-2). Conventionele multiferroics worden voornamelijk gecontroleerd door elektriciteit en vertonen zwakke interacties met magnetisme. Omgekeerd, onconventionele multiferroics worden aangedreven door magnetisme en vertonen sterke elektrische interacties.

"We hebben een interessant voorbeeld gevonden van gezamenlijke multiferroiciteit, wat betekent dat zowel conventionele als onconventionele multiferroiciteit zich na elkaar ontwikkelen in hetzelfde materiaal, ", zegt ORNL-onderzoeker Huibo Cao.

Een van de redenen waarom multiferroics zo wenselijk zijn, is dat hun dubbele kenmerken in combinatie met elkaar kunnen worden gecontroleerd, het verstrekken van, bijvoorbeeld, elektrisch gestuurd magnetisme of magnetisch gestuurde elektrische eigenschappen. Onderzoekers zeggen dat een beter begrip van hoe deze multifunctionele materialen zich gedragen, kan leiden tot aanzienlijke vooruitgang in informatieopslag en stroomprestaties in nieuwe apparaten.

Bijvoorbeeld, materialen met de geoptimaliseerde combinatie van beide multiferroïsche mechanismen kunnen worden gebruikt als efficiënte schakelaars, magnetische veldsensoren, en geheugenapparaten.

"Met dit materiaal we zien het potentieel om verder te reiken dan de typische reikwijdte van multiferroïsche toepassingen en een aanzienlijke impact te hebben op een verscheidenheid aan praktische projecten, ' zei Cao.

Deze inzichten kunnen ook als basis dienen om onderzoekers te helpen vergelijkbare materialen te ontwikkelen die deze mix van eigenschappen bevatten.

"Het bestaan ​​van dit zeldzame materiaal en het vermogen om soortgelijke materialen te vinden, bieden een nieuwe reeks opwindende mogelijkheden voor toekomstig onderzoek en ontwikkeling, ", zegt ORNL-onderzoeker Stuart Calder.

Neutronen zijn de meest geschikte sonde om het magnetisme van deze materialen te bestuderen en een onderscheid te maken tussen de verschillende soorten multiferroïsch gedrag. Omdat neutronen geen lading hebben, ze kunnen het gedrag van kristalstructuren gemakkelijk onderzoeken in complexe monsteromgevingen zoals drukcellen. Tegelijkertijd, ze hebben spin en het vermogen om zich als magneten te gedragen, waardoor ze ideaal zijn voor het bestuderen van magnetisme.

Door een monster aan verschillende temperaturen bloot te stellen, magnetische/elektrische velden, en druk, de onderzoekers kunnen observeren hoe de atomaire structuur en magnetische eigenschappen reageren op omgevingsfactoren en op elkaar, die het ontwerp van nieuwe materialen verder zou kunnen sturen.

Het team voerde neutronenverstrooiingsmetingen uit in ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Met behulp van het Neutron Powder Diffractometer-instrument, HFIR-bundellijn HB-2A, ze bepaalden hoe de magnetische structuren van het materiaal correleren met de ferro-elektrische polarisatie, dat is de kleine scheiding tussen de centra van positieve en negatieve lading in de atomaire eenheden waaruit de kristalstructuur bestaat.

"Met neutronen, we kunnen zien hoe deze magnetische structuren zijn geordend om de verschillende soorten multiferroics beter te begrijpen, ' zei Calder. 'We beginnen een aantal mysteries op te lossen die deze materialen omringen.'