Elektriciteit en magnetisme zijn nauw verwant:hoogspanningslijnen genereren een magnetisch veld, roterende magneten in een generator produceren elektriciteit. Echter, het fenomeen is veel gecompliceerder:elektrische en magnetische eigenschappen van bepaalde materialen zijn ook aan elkaar gekoppeld. De elektrische eigenschappen van sommige kristallen kunnen worden beïnvloed door magnetische velden - en omgekeerd. In dit geval spreekt men van een 'magneto-elektrisch effect'. Het speelt een belangrijke technologische rol, bijvoorbeeld in bepaalde typen sensoren of bij het zoeken naar nieuwe concepten van dataopslag.

Er is een speciaal materiaal onderzocht waarvoor, op het eerste gezicht, er zou helemaal geen magneto-elektrisch effect worden verwacht. Maar zorgvuldige experimenten hebben nu aangetoond dat het effect kan worden waargenomen in dit materiaal, het werkt alleen totaal anders dan normaal. Het kan op een zeer gevoelige manier worden bestuurd:zelfs kleine veranderingen in de richting van het magnetische veld kunnen de elektrische eigenschappen van het materiaal in een geheel andere toestand brengen.

Symmetrie regelt de koppeling

"Of de elektrische en magnetische eigenschappen van een kristal gekoppeld zijn of niet, hangt af van de interne symmetrie van het kristal, " zegt prof. Andrei Pimenov van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien. "Als het kristal een hoge mate van symmetrie heeft, bijvoorbeeld, als de ene kant van het kristal precies het spiegelbeeld is van de andere kant, dan kan er om theoretische redenen geen magneto-elektrisch effect zijn."

Dit geldt voor het kristal, die nu in detail is onderzocht - een zogenaamde langasiet gemaakt van lanthaan, gallium, silicium en zuurstof, gedoteerd met holmiumatomen. "De kristalstructuur is zo symmetrisch dat ze eigenlijk geen magneto-elektrisch effect zou moeten toelaten. En bij zwakke magnetische velden is er inderdaad geen enkele koppeling met de elektrische eigenschappen van het kristal, " zegt Andrei Pimenov. "Maar als we de sterkte van het magnetische veld vergroten, er gebeurt iets opmerkelijks:de holmiumatomen veranderen hun kwantumtoestand en krijgen een magnetisch moment. Dit breekt de interne symmetrie van het kristal."

Puur geometrisch gezien, het kristal is nog steeds symmetrisch, maar er moet ook rekening worden gehouden met het magnetisme van de atomen, en dit is wat de symmetrie doorbreekt. Daarom kan de elektrische polarisatie van het kristal worden veranderd met een magnetisch veld. "Polarisatie is wanneer de positieve en negatieve ladingen in het kristal een klein beetje worden verplaatst, ten opzichte van elkaar, " legt Pimenov uit. "Dit zou gemakkelijk te bereiken zijn met een elektrisch veld, maar vanwege het magneto-elektrische effect, dat kan ook met een magnetisch veld."

Het is niet de kracht, het is de richting

Hoe sterker het magnetische veld, hoe sterker het effect op elektrische polarisatie. "De relatie tussen polarisatie en magnetische veldsterkte is ongeveer lineair, wat niets ongewoons is, " zegt Andrei Pimenov. "Wat opmerkelijk is, echter, is dat de relatie tussen polarisatie en de richting van het magnetische veld sterk niet-lineair is. Als je de richting van het magnetische veld een klein beetje verandert, de polarisatie kan volledig omslaan. Dit is een nieuwe vorm van het magneto-elektrisch effect, dat was niet eerder bekend." Dus een kleine rotatie kan beslissen of het magnetische veld de elektrische polarisatie van het kristal kan veranderen of niet.

Mogelijkheid voor nieuwe opslagtechnologieën

"Het magneto-elektrische effect zal een steeds belangrijkere rol spelen voor verschillende technologische toepassingen, " zegt Andrei Pimenov. "In een volgende stap, we zullen proberen magnetische eigenschappen te veranderen met een elektrisch veld in plaats van elektrische eigenschappen te veranderen met een magnetisch veld. In principe, dit zou op precies dezelfde manier mogelijk moeten zijn."

Als dit lukt, het zou een veelbelovende nieuwe manier zijn om gegevens in vaste stoffen op te slaan. "In magnetische geheugens zoals harde schijven van computers, magnetische velden zijn tegenwoordig nodig, " legt Pimenov uit. "Ze worden gegenereerd met magnetische spoelen, wat relatief veel energie en tijd kost. Als er een directe manier was om de magnetische eigenschappen van een solid-state geheugen te wisselen met een elektrisch veld, dit zou een doorbraak zijn."