Onderzoekers hebben met succes aangetoond dat hypothetische deeltjes die in 1935 door Franz Preisach werden voorgesteld, echt bestaan. In een artikel gepubliceerd in Natuurcommunicatie , wetenschappers van de universiteiten in Linköping en Eindhoven laten zien waarom ferro-elektrische materialen werken zoals ze doen.

Ferro-elektriciteit is de minder bekende tweelingbroer van ferromagnetisme. Ijzer, kobalt en nikkel zijn voorbeelden van veel voorkomende ferromagnetische materialen. De elektronen in dergelijke materialen fungeren als kleine magneten, dipolen, met een noordpool en een zuidpool. In een ferro-elektrische, de dipolen zijn elektrisch in plaats van magnetisch, en hebben een positieve en negatieve pool.

Bij afwezigheid van een aangelegd magnetisch (voor een ferromagneet) of elektrisch (voor een ferro-elektrisch) veld, de oriëntatie van de dipolen is willekeurig. Wanneer een voldoende sterk veld wordt toegepast, de dipolen zijn daarmee uitgelijnd. Dit veld staat bekend als het kritische (of dwingende) veld. Verrassend genoeg, in een ferro-materiaal, de uitlijning blijft behouden wanneer het veld wordt verwijderd, en het materiaal is permanent gepolariseerd. Om de richting van de polarisatie te veranderen, een veld dat minstens zo sterk is als het kritische veld moet in de tegenovergestelde richting worden aangelegd. Dit effect staat bekend als hysterese - het gedrag van het materiaal hangt af van wat er eerder mee is gebeurd. Hysterese maakt deze materialen zeer geschikt als herschrijfbaar geheugen, bijvoorbeeld, op harde schijven.

In een ideaal ferro-elektrisch materiaal, het hele stuk wisselt van polarisatie wanneer het kritische veld is bereikt en dat met een welbepaalde snelheid. In echte ferro-elektrische materialen, verschillende delen van het materiaal schakelen polarisatie bij verschillende kritische velden, en met verschillende snelheden. Het begrijpen van deze niet-idealiteit is de sleutel tot toepassing in het computergeheugen.

Al in 1935 werd door de Duitse onderzoeker Franz Preisach een model voor ferro-elektriciteit en ferromagnetisme ontwikkeld. Het puur wiskundige Preisach-model beschrijft ferro-materialen als een grote verzameling kleine, onafhankelijke modules genaamd hysterons. Elke hysteron vertoont ideaal ferro-gedrag, maar heeft zijn eigen kritische veld dat van hysteron tot hysteron kan verschillen. Men is het er algemeen over eens dat het model een nauwkeurige beschrijving geeft van echte materialen, maar wetenschappers hebben de fysica waarop het model is gebouwd niet begrepen. Wat zijn de hysteronen? Waarom verschillen hun kritieke velden zoals zij? Met andere woorden, waarom werken ferro-elektrische materialen zoals ze doen?

de onderzoeksgroep van professor Martijn Kemerink (Complex Materials and Devices bij LiU), in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Eindhoven, heeft nu twee organische ferro-elektrische modelsystemen bestudeerd en de verklaring gevonden. De moleculen in de bestudeerde organische ferro-elektrische materialen liggen graag op elkaar, vormen cilindrische stapels van ongeveer een nanometer breed en enkele nanometers lang.

"We zouden kunnen bewijzen dat deze stapels eigenlijk de gewilde hysterons zijn. De truc is dat ze verschillende groottes hebben en een sterke interactie met elkaar hebben omdat ze zo dicht op elkaar staan. Afgezien van hun eigen unieke grootte, elke stapel voelt daarom een ​​andere omgeving van andere stapels, die de Preisach-verdeling verklaart, ’ zegt Martijn Kemerink.

De onderzoekers hebben aangetoond dat het niet-ideaal schakelen van een ferro-elektrisch materiaal afhangt van zijn nanostructuur, in het bijzonder van hoeveel stapels met elkaar omgaan, en de details van de manier waarop ze dit doen.

"We moesten nieuwe methoden ontwikkelen om het schakelen van individuele hysteronen te meten om onze ideeën te testen. Nu we hebben laten zien hoe de moleculen op nanometerschaal met elkaar omgaan, we kunnen de vorm van de hysteresiscurve voorspellen. Dit verklaart ook waarom het fenomeen handelt zoals het doet. We hebben laten zien hoe de hysteronverdeling ontstaat in twee specifieke organische ferro-elektrische materialen, maar het is zeer waarschijnlijk dat dit een algemeen verschijnsel is. Ik ben enorm trots op mijn promovendi, Indre Urbanaviciute en Tim Cornelissen, die dit voor elkaar hebben gekregen, ’ zegt Martijn Kemerink.

De resultaten kunnen het ontwerp van materialen voor nieuwe, zogenaamde multi-bit geheugens, en zijn een verdere stap op weg naar de kleine en flexibele herinneringen aan de toekomst.