De hoge resolutie en schat aan gegevens die een experiment bij Diamond oplevert, kan tot onverwachte ontdekkingen leiden. De piëzo-elektrische eigenschappen van het keramische perovskiet PMN-PT (0.68Pb(Mg ₁ /3Nb ₂ /3)O ₃ –0,32PbTiO ₃ ) worden veel gebruikt in commerciële actuatoren, waarbij de spanning die wordt gegenereerd continu varieert met de aangelegde spanning. Echter, als de aangelegde spanning op de juiste manier wordt gecycleerd, zijn er discontinue spanningsveranderingen. Deze discontinue veranderingen kunnen worden gebruikt om magnetische schakelingen in een dunne bovenliggende ferromagneet aan te sturen, waardoor magnetische informatie elektrisch kan worden geschreven. Een internationaal team van onderzoekers gebruikte bundellijn I06 om een ​​ferromagnetische film van nikkel te onderzoeken toen deze diende als een gevoelige rekstrookje voor monokristallijn PMN-PT. Hun eerste interpretatie van de resultaten suggereerde dat ferro-elektrische domeinomschakeling de magnetische domeinen in de film met de verwachte hoek van 90 ° roteerde, maar bij nader onderzoek bleek het ware beeld complexer te zijn.

Hun werk, onlangs gepubliceerd in Natuurmaterialen , toont aan dat de ferro-elektrische domeinomschakeling de magnetische domeinen in de film aanzienlijk minder dan 90° roteerde als gevolg van een begeleidende schuifspanning. De bevindingen bieden zowel een uitdaging als een kans voor het ontwerp van gegevensopslagapparaten van de volgende generatie, en zal zeker relevant zijn als het werk wordt uitgebreid om de elektrisch aangedreven manipulatie van complexere magnetische texturen te onderzoeken.

Sommige vaste materialen ontwikkelen een elektrische lading als reactie op een uitgeoefende mechanische spanning. Dit piëzo-elektrische effect betekent dat bepaalde kristallen kunnen worden gebruikt om mechanische energie om te zetten in elektriciteit of omgekeerd, en piëzo-elektrische materialen worden gebruikt in verschillende technologieën, inclusief het automatisch scherpstellen van camera's in mobiele telefoons. Voor deze toepassingen is de spanning varieert continu met de aangelegde spanning, maar het fietsen van de aangelegde spanning kan leiden tot discontinue veranderingen van spanning als gevolg van ferro-elektrische domeinomschakeling. Deze discontinue veranderingen in spanning kunnen worden gebruikt om magnetische schakelingen in een dunne ferromagmentfilm aan te sturen, zodat gegevens elektrisch kunnen worden geschreven, en magnetisch opgeslagen.

Toen een internationaal team van onderzoekers naar Diamond kwam om dit effect te onderzoeken, ze gebruikten foto-emissie-elektronenmicroscopie (PEEM) in combinatie met circulair magnetisch dichroïsme met röntgenstralen (XMCD) om magnetisch contrast te verschaffen. Ze gebruikten een ferromagnetische film van nikkel als een gevoelige rekstrookje voor monokristallijn PMN-PT, terwijl de spanning over het kristal varieert. Microscopische metingen omvatten het combineren van twee XMCD-PEEM-beelden om een ​​magnetische vectorkaart te vormen.

Op het eerste gezicht, deze microscopische metingen lieten zien wat het team verwachtte te zien:magnetische domeinen die schijnbaar 90 ° draaiden als gevolg van ferro-elektrische domeinomschakeling. Macroscopische magnetische metingen die werden gedaan met behulp van vibrerende monstermagnetometrie leidden tot dezelfde conclusie. Echter, de hoge resolutie data van Diamond bood de mogelijkheid om wat dieper te graven.

Voor professor Neil Mathur aan de Universiteit van Cambridge, nader kijken leek vanzelfsprekend. "Met de gegevens konden we de afbeeldingen pixel-voor-pixel vergelijken, en ik vond dat we dat moesten doen, gewoon omdat het kon."

Onverwacht, de pixel-voor-pixel vergelijking onthulde dat de magnetische schakelhoeken doorgaans ver onder de 90° vielen. Dit kan eenvoudig worden verklaard door een afschuifcomponent op te nemen, voorspeld op basis van de PMN-PT-eenheidcelgeometrie.

Het lijkt erop dat onderzoekers de magneto-elektrische respons van op PMN-PT gebaseerde heterostructuren al jaren te eenvoudig hebben gemaakt, maar het is gemakkelijk te begrijpen waarom. Macroscopische metingen gemiddelde zowel rechts- als linksom magnetische domeinrotaties, het annuleren van de magnetische handtekening van de afschuifcomponenten. Het analyseren van microscopische metingen wordt normaal gesproken uitgevoerd met een kleurenwiel, waardoor het gemakkelijk is om te zien of magnetische domeinen omhoog/omlaag of rechts/links zijn georiënteerd, maar elke kleur die we waarnemen bestrijkt een breed scala aan hoeken, de waarheid maskeren.

Uitdagingen en kansen

Deze nieuwe bevinding zou van toepassing moeten zijn op vergelijkbare materialen, en biedt zowel een uitdaging als een kans voor de ontwikkeling en miniaturisatie van apparaten op basis van magneto-elektrische materialen.

Professor Mathur legt uit:"Onze bevinding betekent dat deze systemen zich anders gaan gedragen dan men oorspronkelijk zou verwachten na miniaturisatie. Dit zal een uitdaging zijn voor apparaatontwerpers, maar hier ligt ook een enorme kans, omdat het betekent dat twee sets gegevens naar hetzelfde apparaat kunnen worden geschreven met magnetische en elektrische velden, dus een verdubbeling van de opslagdichtheid."

In de toekomst, Professor Mathur gelooft dat het normaal zal worden om de schuifspanning te beschouwen die ontstaat wanneer ferro-elektrische domeinen met een lage symmetrie worden omgeschakeld.

Het team zet hun werk nu voort door te kijken naar complexere magnetische texturen, zoals skyrmions. Ze willen onderzoeken hoe deze complexe objecten vernietigd kunnen worden, gecreëerd en gewijzigd door elektrisch aangedreven spanning, en of ze magnetische texturen kunnen creëren die gewoon nog niet eerder zijn gezien.