, Een nieuwe UNSW-studie geeft een uitgebreid overzicht van de magnetische structuur van het multiferroïsche materiaal bismutferriet (BiFeO3-BFO).

De recensie bevordert de zoektocht van FLEET naar energiezuinige elektronica, het samenbrengen van de huidige kennis over de magnetische orde in BFO-films, en onderzoekers een solide platform te geven om dit materiaal verder te ontwikkelen in magneto-elektrische geheugens met lage energie.

BFO is uniek omdat het zowel magnetische als elektronische bestellingen weergeeft (dwz is 'multiferroïsch') bij kamertemperatuur, waardoor energiezuinig kan worden geschakeld in apparaten voor gegevensopslag.

Multiferroics:gecombineerde magnetische en elektronische bestelling voor energiezuinige gegevensopslag

Multiferroics zijn materialen die meer dan één 'orderparameter' hebben.

Bijvoorbeeld, een magnetisch materiaal vertoont magnetische orde:je kunt je voorstellen dat het materiaal is opgebouwd uit heel veel netjes gerangschikte (geordende), kleine magneten.

Sommige materialen vertonen elektronische orde - een eigenschap die ferro-elektriciteit wordt genoemd - die kan worden beschouwd als het elektrische equivalent van magnetisme.

In een ferro-elektrisch materiaal, sommige atomen zijn positief geladen, andere zijn negatief geladen, en de manier waarop deze atomen in het materiaal zijn gerangschikt, geeft een specifieke volgorde aan de lading in het materiaal.

In de natuur, een klein deel van de bekende materialen bezit zowel magnetische als ferro-elektrische orde (zoals het geval is voor BFO) en wordt daarom multiferroïsche materialen genoemd.

De koppeling tussen magnetische en ferro-elektrische orde in een multiferroïsch materiaal ontsluit interessante fysica en opent de weg voor toepassingen zoals energiezuinige elektronica, bijvoorbeeld in niet-vluchtige geheugenapparaten.

Studies bij FLEET richten zich op het mogelijke gebruik van dergelijke materialen als schakelmechanisme.

De opslag van gegevens op traditionele harde schijven is afhankelijk van het wisselen van de magnetische toestand van elke bit:van nul, tot een, naar nul. Maar het kost relatief veel energie om het magnetische veld op te wekken dat daarvoor nodig is.

In een 'multiferroïsch geheugen, ' de koppeling tussen de magnetische en ferro-elektrische orde zou 'omdraaien' van de toestand van een bit door elektrisch veld mogelijk maken, in plaats van een magnetisch veld.

Elektrische velden zijn energetisch veel minder kostbaar om op te wekken dan magnetische velden, dus multiferroïsch geheugen zou een belangrijke overwinning zijn voor ultra-low-energy elektronica, een belangrijk doel in FLEET.

BFO:een uniek multiferroïsch materiaal

Bismutferriet (BFO) is uniek onder multiferroïsche stoffen:zijn magnetische en ferro-elektrische eigenschappen blijven bestaan ​​tot kamertemperatuur. De meeste multiferroics vertonen alleen beide orderparameters ver onder kamertemperatuur, waardoor ze onpraktisch zijn voor energiezuinige elektronica.

(Het heeft geen zin om energiezuinige elektronica te ontwerpen als het u meer energie kost om het systeem te koelen dan u bespaart tijdens het gebruik.)

De nieuwe UNSW-studie beoordeelt de magnetische structuur van bismutferriet; vooral, wanneer het als een dunne monokristallijne laag op een substraat wordt gekweekt.

De paper onderzoekt de gecompliceerde magnetische orde van BFO, en de vele verschillende experimentele hulpmiddelen die worden gebruikt om het te onderzoeken en te helpen begrijpen.

Multiferroics is een uitdagend onderwerp. Bijvoorbeeld, voor onderzoekers die het veld proberen te betreden, het is erg moeilijk om vanuit een enkele referentie een volledig beeld te krijgen van het magnetisme van BFO.

"Dus, we besloten het te schrijven, " zegt Dr. Daniel Sando. "We waren in de perfecte positie om dit te doen, omdat we alle informatie in ons hoofd hadden, Stuart schreef een hoofdstuk over literatuuronderzoek, en we hadden de gecombineerde noodzakelijke natuurkundige achtergrond om de belangrijke concepten op een tutorial-achtige manier uit te leggen."

Het resultaat is een uitgebreide, compleet, en gedetailleerd overzichtsartikel dat veel aandacht van onderzoekers zal trekken en voor velen als nuttig naslagwerk zal dienen.

Co-lead auteur Dr. Stuart Burns legt uit wat nieuwe onderzoekers op het gebied van multiferroics zullen profiteren van het artikel:

"We hebben de recensie gestructureerd als een startpakket om je eigen experiment te bouwen:lezers worden door de chronologie van BFO geleid, een selectie van technieken om te gebruiken (naast de voordelen en valkuilen van elk) en verschillende interessante manieren om de fysica aan te passen. Met deze stukken op hun plaats, experimentatoren weten wat ze kunnen verwachten, en kan zich concentreren op het ontwerpen van nieuwe energiezuinige apparaten en geheugenarchitecturen."

De andere hoofdauteur, Oliver Paul, zegt:"We hopen dat andere onderzoekers in ons vakgebied dit werk zullen gebruiken om hun studenten op te leiden, leer de nuances van het materiaal, en een one-stop-referentieartikel hebben dat alle relevante referenties bevat - de laatste op zichzelf een uiterst waardevolle bijdrage."

Prof Nagy Valanoor voegde toe:"Het meest bevredigende aspect van dit artikel was de stijl als hoofdstuk uit een leerboek. We hebben geen middel onbeproefd gelaten!"

De discussienota omvat de opname van BFO in functionele apparaten die de kruiskoppeling tussen ferro-elektriciteit en magnetisme gebruiken, en zeer nieuwe gebieden zoals antiferromagnetische spintronica, waar de kwantummechanische eigenschap van de spin van het elektron kan worden gebruikt om informatie te verwerken.

"The Experimentalist's Guide to the Cycloid, of niet-collineair antiferromagnetisme in epitaxiale BiFeO ₃ " werd gepubliceerd in Geavanceerde materialen in september 2020.

Nagarajan ('Nagy') Valanoors team bij UNSW Sydney heeft BFO en andere ferromaterialen uitgebreid bestudeerd. brede waardering krijgen voor relevante studies, en zelf belangrijke vorderingen maken.

Het team synthetiseert ferro-elektrische en ferromagnetische heterostructuren en nieuwe topologische oxiden die worden gebruikt door andere FLEET-onderzoekers die op zoek zijn naar energiezuinige transistors, binnen het onderzoeksthema 1 en Enabling technology A van het Centrum.