Ferromagnetische materialen hebben een zelfgenererend magnetisch veld, ferro-elektrische materialen genereren hun eigen elektrisch veld. Hoewel elektrische en magnetische velden verwant zijn, vertelt de natuurkunde ons dat het zeer verschillende materiaalklassen zijn. Nu suggereert de ontdekking door wetenschappers onder leiding van de University of Warwick van een complex elektrisch 'vortex'-achtig patroon dat zijn magnetische tegenhanger weerspiegelt dat ze eigenlijk twee kanten van dezelfde medaille kunnen zijn.

Gedetailleerd in een nieuwe studie voor het tijdschrift Nature, gefinancierd door de Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), onderdeel van UK Research and Innovation, en de Royal Society, geven de resultaten het eerste bewijs van een proces in ferro-elektrische materialen vergelijkbaar met de Dzyaloshinskii-Moriya-interactie in ferromagneten. Deze specifieke interactie speelt een cruciale rol bij het stabiliseren van topologische magnetische structuren, zoals skyrmionen, en het kan cruciaal zijn voor potentiële nieuwe elektronische technologieën die hun elektrische analogen exploiteren.

Bulk ferro-elektrische kristallen worden al vele jaren gebruikt in een reeks technologieën, waaronder sonar, audiotransducers en actuatoren. Al deze technologieën maken gebruik van de intrinsieke elektrische dipolen en hun onderlinge relatie tussen de kristalstructuur van het materiaal en de toegepaste velden.

Voor deze studie creëerden de wetenschappers een dunne film van het ferro-elektrische loodtitanaat, ingeklemd tussen lagen van het ferromagneet strontiumruthenaat, elk ongeveer 4 nanometer dik - slechts twee keer de dikte van een enkele DNA-streng.

Terwijl de atomen van de twee materialen een enkele continue kristalstructuur vormen, zou in de ferro-elektrische loodtitanaatlaag de elektrische polarisatie normaal gesproken meerdere 'domeinen' vormen, zoals een honingraat. Deze domeinen kunnen alleen worden waargenomen met behulp van ultramoderne transmissie-elektronenmicroscopie en röntgenverstrooiing.

Maar toen het team van de Universiteit van Warwick de structuur van de gecombineerde lagen onderzocht, zagen ze dat de domeinen in het loodtitanaat een complexe topologische structuur waren van lijnen van vortexen die afwisselend in verschillende richtingen ronddraaiden.

Bijna identiek gedrag is ook waargenomen bij ferromagneten waarvan bekend is dat het wordt gegenereerd door de Dzyaloshinskii-Moriya-interactie (DMi).

Hoofdauteur professor Marin Alexe van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Warwick zei:"Als je kijkt naar hoe deze kenmerken afnemen, wordt het verschil tussen ferromagnetisme en ferro-elektriciteit steeds minder belangrijk. Het kan zijn dat ze op een gegeven moment in één versmelten. uniek materiaal. Dit kan kunstmatig zijn en zeer kleine ferromagneten en ferro-elektriciteit combineren om te profiteren van deze topologische kenmerken. Het is voor mij heel duidelijk dat we ons op het topje van de ijsberg bevinden wat betreft waar dit onderzoek naartoe gaat. "

Co-auteur Dorin Rusu, een postdoctorale student aan de Universiteit van Warwick, zei:"Het besef dat in ferro-elektriciteit dipolaire texturen die hun magnetische tegenhanger in die mate nabootsen, zorgt voor verder onderzoek naar de fundamentele fysica die dergelijke overeenkomsten aandrijft. Dit resultaat is geen triviale kwestie als je kijkt naar het verschil in oorsprong en sterkte van de elektrische en magnetische velden."

Het bestaan ​​van deze vortexen was eerder getheoretiseerd, maar het vergde het gebruik van geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopen aan de Universiteit van Warwick, evenals het gebruik van synchrotrons in vier andere faciliteiten, om ze nauwkeurig te observeren. Met deze technieken konden de wetenschappers de positie van elk atoom met een hoge mate van zekerheid meten.

Co-auteur professor Ana Sanchez zei:"Elektronenmicroscopie is een baanbrekende techniek om deze topologische structuren te begrijpen. Het is het belangrijkste hulpmiddel bij het onthullen van de ins en outs van deze nieuwe materialen, met behulp van een subatomaire elektronenstraal om beelden van interne structuur."

Co-auteur professor Thomas Hase voegde toe:"Toegang tot hoogwaardige faciliteiten in het VK, Europa en de VS was van cruciaal belang voor dit specifieke onderzoek." + Verder verkennen

Zoek naar skyrmion-fenomeen vindt nog vreemdere ketting met magnetische kralen