Multiferroiki - Multiferroics

Multiferroiki są definiowane jako materiały, które wykazują więcej niż jedną z podstawowych właściwości ferroicznych w tej samej fazie:

• ferromagnetyzm – namagnesowanie, które jest przełączane przyłożonym polem magnetycznym
• ferroelektryczność – polaryzacja elektryczna, która jest przełączana przyłożonym polem elektrycznym
• ferroelastyczność – odkształcenie, które można przełączać pod wpływem przyłożonego naprężenia

Podczas gdy ferroelektryczne ferroelastyki i ferromagnetyczne ferroelastyki są formalnie multiferroikami, obecnie termin ten jest zwykle używany do opisu magnetoelektrycznych multiferroików, które są jednocześnie ferromagnetyczne i ferroelektryczne. Czasami definicja jest rozszerzana o parametry rzędu niepierwotnego, takie jak antyferromagnetyzm lub ferrimagnetyzm . Ponadto ostatnio zaproponowano również inne typy rzędów pierwotnych, takie jak ferroiczne układy multipoli magnetoelektrycznych, których przykładem jest ferrotoroidyczność .

Poza zainteresowaniem naukowym ich właściwościami fizycznymi, multiferroiki mają potencjał do zastosowań jako siłowniki, przełączniki, czujniki pola magnetycznego i nowe typy elektronicznych urządzeń pamięci.

Historia

Historia multiferroiki: liczba artykułów rocznie na temat magnetoelektryki lub efektu magnetoelektrycznego (kolor niebieski) i multiferroiki (kolor czerwony)

Web of Science szukać terminu multiferroic daje papierowych roku 2000 „Dlaczego tak mało Ferroelektryki magnetyczne?” z NA Spaldin (wtedy Hill) jako najwcześniejszy wynik. Praca ta wyjaśniła pochodzenie przeciwwskazań między magnetyzmem a ferroelektrycznością i zaproponowała praktyczne sposoby jej obejścia, a powszechnie przypisuje się jej początek współczesnej eksplozji zainteresowania materiałami multiferrotycznymi. Dostępność praktycznych dróg tworzenia materiałów multiferroicznych od 2000 r. stymulowała intensywną aktywność. Szczególnie kluczowymi wczesnymi pracami było odkrycie dużej polaryzacji ferroelektrycznej w epitaksjalnie wyhodowanych cienkich warstwach magnetycznego BiFeO ₃ , obserwacja, że ​​niekolinearne uporządkowanie magnetyczne w rombowych TbMnO ₃ i TbMn ₂ O ₅ powoduje ferroelektryczność, oraz identyfikacja nietypowo nieprawidłowej ferroelektryczności, która jest zgodny ze współistnieniem magnetyzmu w heksagonalnym manganicie YMnO ₃ . Wykres po prawej pokazuje na czerwono liczbę artykułów na temat multiferroików z wyszukiwania Web of Science do 2008 r.; wykładniczy wzrost trwa do dziś.

Materiały magnetoelektryczne

Aby umieścić materiały multiferroiczne w odpowiednim kontekście historycznym, należy również wziąć pod uwagę materiały magnetoelektryczne , w których pole elektryczne modyfikuje właściwości magnetyczne i odwrotnie. Chociaż materiały magnetoelektryczne niekoniecznie są multiferroiczne, wszystkie ferromagnetyczne ferroelektryczne multiferroiki są magnetoelektrykami liniowymi, z przyłożonym polem elektrycznym indukującym zmianę namagnesowania liniowo proporcjonalną do jego wielkości. Materiały magnetoelektryczne i odpowiadający im efekt magnetoelektryczny mają dłuższą historię niż multiferroiki, zaznaczone na niebiesko na wykresie po prawej stronie. Pierwsza znana wzmianka o magnetoelektryczności znajduje się w wydaniu Landaua i Lifshitza „ Elektrodynamika mediów ciągłych ” z 1959 r., w którym na końcu części dotyczącej piezoelektryczności znajduje się następujący komentarz : „Wskażmy jeszcze dwa zjawiska, które w zasadzie mogą istnieć . Jednym z nich jest piezomagnetyzm, który polega na liniowym sprzężeniu pola magnetycznego w ciele stałym i odkształceniu (analogicznie do piezoelektryczności). Drugim jest liniowe sprzężenie pomiędzy polami magnetycznymi i elektrycznymi w ośrodku, które powodowałoby na przykład namagnesowanie proporcjonalne do pola elektrycznego. Oba te zjawiska mogą istnieć dla pewnych klas symetrii magnetokrystalicznej. Nie będziemy jednak omawiać tych zjawisk bardziej szczegółowo, ponieważ wydaje się, że do tej pory prawdopodobnie nie zaobserwowano ich w żadnej substancji”. Rok później IE Dzyaloshinskii wykazał przy użyciu argumentów symetrii, że materiał Cr ₂ O ₃ powinien mieć liniowe zachowanie magnetoelektryczne, a jego przewidywania zostały szybko zweryfikowane przez D. Astrova. Przez kolejne dziesięciolecia badania nad materiałami magnetoelektrycznymi kontynuowano w wielu grupach w Europie, w szczególności w byłym Związku Radzieckim oraz w grupie H. Schmida z U. Genewa. Seria konferencji Wschód-Zachód zatytułowana Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals (MEIPIC) odbyła się między 1973 (Seattle) a 2009 (w Santa Barbara) i rzeczywiście termin „multiferroic magnetoelectric” został po raz pierwszy użyty przez H. Schmida w materiały z konferencji MEIPIC 1993 (w Asconie).

Mechanizmy łączenia ferroelektryczności i magnetyzmu

Aby zostać zdefiniowanym jako ferroelektryk, materiał musi mieć spontaniczną polaryzację elektryczną, która jest przełączana przez przyłożone pole elektryczne. Zwykle taka polaryzacja elektryczna powstaje w wyniku zniekształcenia strukturalnego łamiącego inwersję symetrii z macierzystej fazy centrosymetrycznej. Na przykład w prototypowym ferroelektrycznym tytanianie baru BaTiO ₃ faza macierzysta jest idealną sześcienną strukturą perowskitu ABO ₃ , z jonem Ti ⁴⁺ w miejscu B w centrum jego oktaedru koordynacji tlenu i bez polaryzacji elektrycznej. W fazie ferroelektrycznej jon Ti ⁴⁺ jest przesunięty ze środka oktaedru, powodując polaryzację. Takie przemieszczenie ma tendencję tylko być korzystne, gdy kation B strona ma konfigurację elektronową z pustą d powłoki (tzw d ⁰ konfiguracji), co sprzyja tworzeniu się wiązań kowalencyjnych energii obniżenie między kationem B stronie i sąsiednią aniony tlenu.

Ten wymóg „d0-ness” jest wyraźną przeszkodą w tworzeniu multiferroików, ponieważ magnetyzm w większości tlenków metali przejściowych wynika z obecności częściowo wypełnionych powłok d z metali przejściowych . W rezultacie w większości multiferroików ferroelektryczność ma inne pochodzenie. Poniżej opisano znane mechanizmy obchodzenia tego przeciwwskazania między ferromagnetyzmem a ferroelektrycznością.

Aktywna samotna para

W multiferroikach z aktywną pojedynczą parą przemieszczenie ferroelektryczne jest napędzane przez kation w miejscu A, a magnetyzm powstaje z częściowo wypełnionej powłoki d w miejscu B. Przykłady obejmują bizmutu ferryt , BiFeO ₃ , BiMnO ₃ (choć uważa się, że przeciwciała anty-polarne) oraz PbVO ₃ . W tych materiałach kation miejsca A (Bi ³⁺ , Pb ²⁺ ) ma tak zwaną stereochemicznie aktywną samotną parę elektronów 6s ² , a pozacentrowaniu kationu miejsca A sprzyja obniżający energię współdzielenie elektronów między formalnie pustymi orbitalami 6p w miejscu A i wypełnionymi orbitalami O 2p .

Geometryczna ferroelektryczność

W ferroelektrykach geometrycznych siłą napędową strukturalnego przejścia fazowego prowadzącego do polarnego stanu ferroelektrycznego jest zniekształcenie rotacyjne wielościanów, a nie tworzenie wiązań kowalencyjnych z podziałem elektronów. Takie zniekształcenia rotacyjne występują w wielu tlenkach metali przejściowych; na przykład w perowskitach są one powszechne, gdy kation miejsca A jest mały, tak że oktaedry tlenu zapadają się wokół niego. W perowskitach trójwymiarowa łączność wielościanów oznacza, że ​​nie ma polaryzacji sieciowej; jeśli jeden ośmiościan obraca się w prawo, jego połączony sąsiad obraca się w lewo i tak dalej. Jednak w materiałach warstwowych takie rotacje mogą prowadzić do polaryzacji sieci.

Prototypowe ferroelektryki geometryczne to warstwowe fluorki metali przejściowych baru, BaMF ₄ , M=Mn, Fe, Co, Ni, Zn, które mają przejście ferroelektryczne przy około 1000 K i przejście magnetyczne do stanu antyferromagnetycznego przy około 50 K. Ponieważ zniekształcenie nie jest napędzane przez hybrydyzację między kationem w miejscu d a anionami, jest zgodne z istnieniem magnetyzmu w miejscu B, umożliwiając w ten sposób zachowanie multiferroiczne.

Drugim przykładem jest rodziny sześciokątnych ziem rzadkich manganitów (H- R MnO ₃ z R = Ho-Lu, Y), które wykazują przemianę fazową strukturalną na poziomie około 1300 K składający się głównie z przechylanie MnO ₅ bipyramids. Podczas wychylenia się ma zerową wartość polaryzacji, to łączy się w polarnym pofałdowań R warstw jon która powoduje polaryzację ~ 6μC / cm ² . Ponieważ ferroelektryczność nie jest głównym parametrem rzędu, określa się ją jako niewłaściwą . Faza multiferroiczna jest osiągana przy ~100K, gdy powstaje trójkątny porządek antyferromagnetyczny z powodu frustracji spinowej.

Zamawianie opłat

Uporządkowanie ładunku może wystąpić w związkach zawierających jony o mieszanej wartościowości, gdy elektrony, które są zdelokalizowane w wysokiej temperaturze, lokalizują się w uporządkowany wzór w różnych miejscach kationów, tak że materiał staje się izolacyjny. Kiedy wzór zlokalizowanych elektronów jest polarny, stan uporządkowanego ładunku jest ferroelektryczny. Zazwyczaj jony w takim przypadku są magnetyczne, a więc stan ferroelektryczny jest również multiferroiczny. Pierwszym proponowanym przykładem uporządkowanego multiferroicznego ładunku był LuFe ₂ O ₄ , który ładował rzędy w temperaturze 330 K z układem jonów Fe ²⁺ i Fe ³⁺ . Uporządkowanie ferrimagnetyczne występuje poniżej 240 K. Ostatnio jednak kwestionowano, czy uporządkowanie ładunku jest polarne. Ponadto sugerowana jest uporządkowana ferroelektryczność ładunku w magnetycie, Fe ₃ O ₄ , poniżej przejścia Verweya i (Pr,Ca)MnO
3.

Ferroelektryczność napędzana magnetycznie

W multiferroikach napędzanych magnetycznie makroskopowa polaryzacja elektryczna jest indukowana przez dalekosiężny porządek magnetyczny, który jest niecentrosymetryczny. Formalnie polaryzacja elektryczna , , jest wyrażona w postaci namagnesowania , , przez ${\ Displaystyle \ mathbf {P} }$${\ Displaystyle \ mathbf {M} }$

${\ Displaystyle \ mathbf {P} \ Sim \ mathbf {M} \ razy (\ nabla _ {\ mathbf {R}} \ razy \ mathbf {M})}$.

Podobnie jak w przypadku ferroelektryków geometrycznych omówionych powyżej, ferroelektryczność jest niewłaściwa, ponieważ polaryzacja nie jest parametrem rzędu pierwotnego (w tym przypadku rządem pierwotnym jest namagnesowanie) dla ferroicznego przejścia fazowego.

Prototypowym przykładem jest powstawanie niecentrosymetrycznego magnetycznego stanu spiralnego, któremu towarzyszy niewielka polaryzacja ferroelektryczna, poniżej 28K w TbMnO ₃ . W tym przypadku, gdy polaryzacja jest mała, 10 ^-2 mikrosterownika / cm ² , ponieważ mechanizm sprzęgający nie-centrosymmetric strukturę przędzy na sieci krystalicznej jest niski sprzężenia spinowo-orbicie. Większe polaryzacje występują, gdy niecentrosymetryczne uporządkowanie magnetyczne jest spowodowane silniejszym oddziaływaniem nadwymiany, tak jak w rombowym HoMnO ₃ i materiałach pokrewnych. W obu przypadkach sprzężenie magnetoelektryczne jest silne, ponieważ ferroelektryczność jest bezpośrednio spowodowana porządkiem magnetycznym.

magnetyzm f-elektronowy

Chociaż większość magnetoelektrycznych multiferroików opracowanych do tej pory ma konwencjonalny magnetyzm d-elektronowy metalu przejściowego i nowatorski mechanizm ferroelektryczności, możliwe jest również wprowadzenie innego typu magnetyzmu do konwencjonalnego ferroelektryka. Najbardziej oczywistą drogą jest użycie jonu ziem rzadkich z częściowo wypełnioną powłoką elektronów f w miejscu A. Przykładem jest EuTiO _3, który, choć nie ferroelektryczny w warunkach otoczenia, staje się taki po lekkim obciążeniu lub gdy jego stała sieciowa jest rozszerzona, na przykład przez zastąpienie baru w miejscu A.

Kompozyty

Wyzwaniem pozostaje opracowanie dobrych jednofazowych multiferroików o dużej magnetyzacji i polaryzacji oraz silnym sprzężeniu między nimi w temperaturze pokojowej. Dlatego kompozyty łączące materiały magnetyczne, takie jak FeRh, z materiałami ferroelektrycznymi, takimi jak PMN-PT, są atrakcyjną i ustaloną drogą do osiągnięcia multiferroiczności. Niektóre przykłady obejmują cienkie warstwy magnetyczne na podłożach piezoelektrycznych PMN-PT oraz struktury trójwarstwowe Metglass/PVDF/Metglass. Ostatnio zademonstrowano interesujący wzrost warstwa po warstwie multiferroicznego kompozytu w skali atomowej, składającego się z pojedynczych warstw ferroelektrycznego i antyferromagnetycznego LuFeO ₃ naprzemiennie z ferrimagnetycznym, ale niepolarnym LuFe ₂ O ₄ w supersieci.

Inne

Istnieją doniesienia o dużym sprzężeniu magnetoelektrycznym w temperaturze pokojowej w multiferroikach typu I, takich jak „rozcieńczony” perowskit magnetyczny (PbZr _0,53 Ti _0,47 O ₃ ) _0,6 –(PbFe _1/2 Ta _1/2 O ₃ ) _0,4 ( PZTFT) w niektórych fazach Aurivillius oraz w układzie (BiFe _0,9 Co _0,1 O ₃ ) _0,4 -(Bi _1/2 K _1/2 TiO ₃ ) _0,6 (BFC-BKT). W tym przypadku silne sprzężenie ME zaobserwowano w skali mikroskopowej, stosując między innymi PFM w polu magnetycznym. Ten ostatni system wydaje się być pierwszym opisanym ferroelektrycznym multiferroicznym relaksorem typu rdzeń-powłoka , w którym struktura magnetyczna w tak zwanych „klasterach multiferroicznych” jest spowodowana przez ferrimagnetyzm Fe-Co, który może być przełączany za pomocą pola elektrycznego. Organiczne-nieorganiczne hybrydowe multiferroiki zostały opisane w rodzinie perowskitów mrówczanowych metali, a także molekularne multiferroiki, takie jak [(CH ₃ ) ₂ NH ₂ ][Ni(HCOO) ₃ ], z elastycznym sprzężeniem za pośrednictwem odkształcenia między rzędami parametry.

Klasyfikacja

Multiferroiki typu I i typu II

Pomocny schemat klasyfikacji multiferroików na tzw. multiferroiki typu I i typu II wprowadził w 2009 r. D. Khomskii.

Khomskii zaproponował termin multiferroiczny typu I dla materiałów, w których ferroelektryczność i magnetyzm występują w różnych temperaturach i wynikają z różnych mechanizmów. Zwykle zniekształcenia strukturalne, które powodują ferroelektryczność, występują w wysokiej temperaturze, a uporządkowanie magnetyczne, zwykle antyferromagnetyczne, zachodzi w niższej temperaturze. Prototypowym przykładem jest BiFeO ₃ (T _C = 1100 K, t _N = 643 K), z napędzanym przez ferroelektryki stereochemicznie czynną wolną parę Bi ³⁺ jonów i uporządkowania magnetycznego spowodowanego przez zwykły mechanizm superexchange. YMnO ₃ (T _C = 914 K, t _N = 76 K) jest typu I, ale jej ferroelektryki jest tak zwany „niewłaściwa”, co oznacza, że efekt wtórny wynikające ze sobą (podstawowej) zakłócenie struktury. Niezależne pojawienie się magnetyzmu i ferroelektryczności oznacza, że ​​domeny tych dwóch właściwości mogą istnieć niezależnie od siebie. Większość multiferroików typu I wykazuje liniową odpowiedź magnetoelektryczną, a także zmiany podatności dielektrycznej przy magnetycznym przejściu fazowym.

Termin multiferroiczny typu II jest używany dla materiałów, w których uporządkowanie magnetyczne łamie symetrię inwersyjną i bezpośrednio „powoduje” ferroelektryczność. W tym przypadku temperatury porządkowe dla obu zjawisk są identyczne. Prototypowym przykładem jest TbMnO ₃ , w którym niecentrosymetryczna spirala magnetyczna wraz z ferroelektryczną polaryzacją zachodzi przy 28 K. Ponieważ to samo przejście powoduje oba efekty, są one konstrukcyjnie silnie sprzężone. W ferroelektryczne polaryzacje wydają się być o rząd wielkości mniejsza niż w przypadku multiferroics typu I. Jednakże, zwykle rzędu 10 ^-2 mikrosterownika / cm ² . Odnotowano również odwrotny efekt, w izolacyjnej soli przenoszącej ładunek Motta – (BEDT-TTF)2Cu[N(CN)
₂]Cl . W tym przypadku przejście porządkujące ładunki do polarnej obudowy ferroelektrycznej napędza uporządkowanie magnetyczne, ponownie dając ścisłe sprzężenie między rzędami ferroelektrycznymi i, w tym przypadku, antyferromagnetycznymi.

Symetria i sprzężenie

Powstanie żelaznego porządku zawsze wiąże się z złamaniem symetrii. Na przykład symetria inwersji przestrzennej zostaje zerwana, gdy ferroelektryki rozwijają swój elektryczny moment dipolowy, a odwrócenie czasu zostaje zerwane, gdy ferromagnetyki stają się magnetyczne. Łamanie symetrii można opisać parametrem porządku, polaryzacją P i namagnesowaniem M w tych dwóch przykładach i prowadzi do wielu równoważnych stanów podstawowych, które można wybrać za pomocą odpowiedniego pola sprzężonego; elektryczne lub magnetyczne odpowiednio dla ferroelektryków lub ferromagnesów. Prowadzi to na przykład do znanego przełączania bitów magnetycznych za pomocą pól magnetycznych w magnetycznych nośnikach danych.

Ferroiki często charakteryzują się zachowaniem ich parametrów uporządkowania w warunkach inwersji przestrzeni i odwrócenia czasu (patrz tabela). Zadziałanie inwersji przestrzennej odwraca kierunek polaryzacji (czyli zjawisko polaryzacji jest antysymetryczne, inwersji przestrzennej), pozostawiając niezmiennik namagnesowania. W rezultacie niepolarne ferromagnetyki i ferroelastyki są niezmienne w przypadku inwersji przestrzeni, podczas gdy polarne ferroelektryki nie. Z drugiej strony, operacja odwrócenia czasu zmienia znak M (który jest zatem antysymetrycznym odwróceniem czasu), podczas gdy znak P pozostaje niezmienny. Dlatego niemagnetyczne ferroelastyki i ferroelektryki są niezmienne w odwróceniu czasu, podczas gdy ferromagnetyki nie.

Magnetoelektryczne multiferroiki są zarówno antysymetryczne z inwersją przestrzeni, jak i z odwróceniem czasu, ponieważ są zarówno ferromagnetyczne, jak i ferroelektryczne.

Kombinacja załamań symetrii w multiferroikach może prowadzić do sprzężenia między parametrami rzędu, tak że jedną właściwością ferroiczną można manipulować polem sprzężonym drugiej. Na przykład ferroelastyczne ferroelektryki są piezoelektryczne , co oznacza, że ​​pole elektryczne może powodować zmianę kształtu lub ciśnienie może indukować napięcie, a ferroelastyczne ferromagnetyki wykazują analogiczne zachowanie piezomagnetyczne . Szczególnie atrakcyjna dla potencjalnych technologii jest sterowanie magnetyzmem za pomocą pola elektrycznego w multiferroikach magnetoelektrycznych, ponieważ pola elektryczne mają mniejsze wymagania energetyczne niż ich magnetyczne odpowiedniki.

Aplikacje

Kontrola pola elektrycznego magnetyzmu

Głównym motorem technologicznym do badania multiferroiki jest ich potencjał kontrolowania magnetyzmu za pomocą pól elektrycznych poprzez sprzężenie magnetoelektryczne. Taka zdolność mogłaby być technologicznie transformująca, ponieważ wytwarzanie pól elektrycznych jest znacznie mniej energochłonne niż wytwarzanie pól magnetycznych (które z kolei wymagają prądów elektrycznych), które są wykorzystywane w większości istniejących technologii opartych na magnetyzmie. Osiągnięto sukcesy w kontrolowaniu orientacji magnetyzmu za pomocą pola elektrycznego, na przykład w heterostrukturach konwencjonalnych metali ferromagnetycznych i multiferroicznych BiFeO ₃ , a także w kontrolowaniu stanu magnetycznego , na przykład z antyferromagnetycznego na ferromagnetyczny w FeRh.

W multiferroicznych cienkich warstwach sprzężone parametry magnetyczne i ferroelektryczne można wykorzystać do opracowania urządzeń magnetoelektronicznych. Obejmują one nowatorskie urządzenia spintroniczne , takie jak tunelowe czujniki magnetooporu (TMR) i zawory spinowe z funkcjami dostrajania pola elektrycznego. Typowe urządzenie TMR składa się z dwóch warstw materiałów ferromagnetycznych oddzielonych cienką barierą tunelową (~2 nm) wykonaną z cienkiej warstwy multiferroicznej. W takim urządzeniu transport spinu przez barierę może być dostrojony elektrycznie. W innej konfiguracji, warstwa multiferroiczna może być użyta jako warstwa przypinania polaryzacji wymiany. Jeżeli orientacje antyferromagnetycznych spinów w multiferroicznej warstwie spinającej można dostroić elektrycznie, to magnetooporność urządzenia można kontrolować za pomocą przyłożonego pola elektrycznego. Można również eksplorować wiele elementów pamięci stanów, w których dane są przechowywane zarówno w polaryzacji elektrycznej, jak i magnetycznej.

Urządzenia radiowe i wysokoczęstotliwościowe

Multiferroiczne struktury kompozytowe w postaci masowej są badane pod kątem czujników pola magnetycznego AC o wysokiej czułości i elektrycznie przestrajalnych urządzeń mikrofalowych, takich jak filtry, oscylatory i przesuwniki fazowe (w których rezonans ferri-, ferro- lub antyferromagnetyczny jest dostrajany elektrycznie zamiast magnetycznie). .

Zastosowania krzyżowe w innych dziedzinach fizyki

Multiferroiki są wykorzystywane do rozwiązywania fundamentalnych pytań w kosmologii i fizyce cząstek elementarnych. W pierwszym, do poszukiwania elektrycznego momentu dipolowego elektronu wykorzystano fakt, że pojedynczy elektron jest idealnym multiferroikiem, z dowolnym elektrycznym momentem dipolowym wymaganym przez symetrię do przyjęcia tej samej osi co jego magnetyczny moment dipolowy. Wykorzystanie zaprojektowanego materiału multiferroicznego (Eu,Ba)TiO
3, śledzono zmianę wypadkowego momentu magnetycznego po przełączeniu polaryzacji ferroelektrycznej w przyłożonym polu elektrycznym, co pozwoliło na wydobycie górnej granicy możliwej wartości elektronowego momentu dipolowego. Ta wielkość jest ważna, ponieważ odzwierciedla ilość łamania symetrii odwrócenia czasu (a tym samym CP) we wszechświecie, co nakłada poważne ograniczenia na teorie fizyki cząstek elementarnych. W drugim przykładzie wykazano, że niezwykłe, nieprawidłowe geometryczne ferroelektryczne przejście fazowe w heksagonalnych manganitach ma wspólne cechy symetrii z proponowanymi przejściami fazowymi we wczesnym Wszechświecie. W rezultacie heksagonalne manganity mogą być wykorzystywane do przeprowadzania eksperymentów laboratoryjnych w celu przetestowania różnych aspektów wczesnej fizyki wszechświata. W szczególności zweryfikowano proponowany mechanizm powstawania strun kosmicznych, a aspekty ewolucji strun kosmicznych są badane poprzez obserwację ich analogów przecinających się z domenami multiferroicznymi.

Zastosowania poza magnetoelektryką

W ciągu ostatnich kilku lat zidentyfikowano szereg innych nieoczekiwanych zastosowań, głównie w multiferroicznym ferrycie bizmutu, które nie wydają się być bezpośrednio związane ze sprzężonym magnetyzmem i ferroelektrycznością. Obejmują one efekt fotowoltaiczny , fotokatalizę i wykrywanie gazu . Jest prawdopodobne, że za te korzystne właściwości odpowiada kombinacja polaryzacji ferroelektrycznej z małą przerwą energetyczną złożoną częściowo ze stanów d metalu przejściowego.

Dynamika

Dynamiczna multiferroiczność

Ostatnio zwrócono uwagę, że w taki sam sposób, w jaki polaryzacja elektryczna może być generowana przez przestrzennie zmienny porządek magnetyczny, tak magnetyzm może być generowany przez czasowo zmienną polaryzację. Powstałe zjawisko nazwano dynamiczną multiferroitycznością . Namagnesowanie jest podane przez ${\ Displaystyle \ mathbf {M} }$

${\ Displaystyle \ mathbf {M} \ sim \ mathbf {P} \ razy {\ Frac {\ częściowy \ mathbf {P}} {\ częściowy t}}}$

gdzie jest polaryzacja, a wskazuje iloczyn wektorowy. Dynamiczny formalizm multiferroityczności leży u podstaw następującego zróżnicowanego zakresu zjawisk: ${\ Displaystyle \ mathbf {P} }$${\displaystyle \times}$

• Fononowy efekt Zeemana, w którym fonony o przeciwnej polaryzacji kołowej mają różne energie w polu magnetycznym. Zjawisko to czeka na weryfikację eksperymentalną.
• Rezonansowe wzbudzenie magnonowe przez fonony z napędem optycznym.
• Elektromagnesy typu Dzylaoshinskii-Moriya.
• Odwrotny efekt Faradaya.
• Egzotyczne smaki krytyczności kwantowej.

Procesy dynamiczne

Badanie dynamiki układów multiferroicznych dotyczy zrozumienia ewolucji czasowej sprzężenia różnych rzędów ferroicznych , w szczególności w przypadku pól stosowanych zewnętrznie. Obecne badania w tej dziedzinie motywowane są zarówno obietnicą nowych rodzajów zastosowań opartych na sprzężonej naturze dynamiki, jak i poszukiwaniem nowej fizyki leżącej u podstaw fundamentalnego zrozumienia elementarnych wzbudzeń MF. Coraz więcej badań dynamiki MF dotyczy sprzężenia parametrów porządku elektrycznego i magnetycznego w multiferroikach magnetoelektrycznych. W tej klasie materiałów wiodące badania dotyczą, zarówno teoretycznie, jak i doświadczalnie, podstawowych granic (np. wewnętrzna prędkość sprzężenia, siła sprzężenia, synteza materiałów) dynamicznego sprzężenia magnetoelektrycznego oraz sposoby ich osiągnięcia i wykorzystania do rozwoju nowe technologie.

Sercem proponowanych technologii opartych na sprzężeniu magnetoelektrycznym są procesy przełączania, które opisują manipulowanie makroskopowymi właściwościami magnetycznymi materiału za pomocą pola elektrycznego i odwrotnie. Duża część fizyki tych procesów jest opisana przez dynamikę domen i ścian domen . Ważnym celem obecnych badań jest minimalizacja czasu przełączania, z ułamków sekundy (reżim „quasi”-statyczny), w kierunku zakresu nanosekundowego i szybszego, przy czym ta ostatnia jest typową skalą czasową potrzebną współczesnej elektronice, takiej jak next urządzenia pamięci generacji.

Ultraszybkie procesy działające w skali pikosekundowej, femtosekundowej, a nawet attosekundowej są napędzane i badane przy użyciu metod optycznych, które są na pierwszym planie współczesnej nauki. Fizyka, na której opierają się obserwacje w tych krótkich skalach czasowych, rządzi się dynamiką nierównowagową i zwykle wykorzystuje procesy rezonansowe. Jedną z demonstracji ultraszybkich procesów jest przełączanie ze współliniowego stanu antyferromagnetycznego na spiralny stan antyferromagnetyczny w CuO pod wpływem wzbudzenia impulsem laserowym 40 fs 800 nm. Drugi przykład pokazuje możliwość bezpośredniej kontroli fal spinowych promieniowaniem THz na antyferromagnetycznym NiO. Są to obiecujące demonstracje, w jaki sposób przełączanie właściwości elektrycznych i magnetycznych w multiferroice, za pośrednictwem mieszanego charakteru dynamiki magnetoelektrycznej, może prowadzić do ultraszybkiego przetwarzania danych, komunikacji i urządzeń do obliczeń kwantowych.

Obecne badania nad dynamiką MF mają na celu odpowiedź na różne otwarte pytania; praktyczna realizacja i demonstracja ultraszybkiego przełączania domen, rozwój kolejnych nowych aplikacji opartych na przestrajalnej dynamice, np. zależność częstotliwościowa właściwości dielektrycznych, podstawowe zrozumienie mieszanego charakteru wzbudzeń (np. w przypadku ME, mieszany fonon -mody magnonowe – „elektromagnony”) oraz potencjalne odkrycie nowej fizyki związanej ze sprzężeniem MF.

Domeny i ściany domen

Schematyczny obraz czterech możliwych stanów domenowych ferroelektrycznego materiału ferromagnetycznego, w którym zarówno polaryzacja (dipol elektryczny wskazywany przez ładunki), jak i namagnesowanie (czerwona strzałka) mają dwie przeciwne orientacje. Domeny są oddzielone różnymi typami ścian domen, sklasyfikowanych według parametrów kolejności, które zmieniają się w obrębie ściany.

Jak każdy materiał ferroiczny, system multiferroiczny jest podzielony na domeny. Domeny stanowi obszar rozszerzony obszar w kierunku stałej i fazy parametrów rzędu. Sąsiednie domeny są oddzielone regionami przejściowymi zwanymi ścianami domen.

Właściwości domen multiferroicznych

W przeciwieństwie do materiałów o jednym rzędzie ferroicznym, domeny w multiferroikach mają dodatkowe właściwości i funkcjonalności. Charakteryzują się na przykład zestawieniem co najmniej dwóch parametrów porządkowych. Parametry zamówienia mogą być niezależne (typowe, ale nieobowiązkowe dla multiferroicznych typu I) lub połączone (obowiązkowe dla multiferroicznych typu II).

Wiele wybitnych właściwości, które odróżniają domeny w multiferroikach od tych w materiałach o jednym rzędzie ferroicznym, jest konsekwencją sprzężenia między parametrami rzędu.

• Sprzężenie może prowadzić do wzorców z dystrybucją i/lub topologią domen, która jest wyłączna dla multiferroiki.
• Sprzężenie rzędu-parametr jest zwykle jednorodne w całej domenie, tj. efekty gradientu są pomijalne.
• W niektórych przypadkach uśredniona wartość netto parametru porządku dla wzorca domeny jest bardziej istotna dla sprzężenia niż wartość parametru porządku pojedynczej domeny.

Te zagadnienia prowadzą do nowych funkcjonalności, które wyjaśniają obecne zainteresowanie tymi materiałami.

Właściwości multiferroicznych ścian domen

Ściany domen są przestrzennie rozciągniętymi obszarami przejściowymi pośredniczącymi w przenoszeniu parametru porządku z jednej domeny do drugiej. W porównaniu do domen ściany domen nie są jednorodne i mogą mieć mniejszą symetrię. Może to modyfikować właściwości multiferroiku i sprzężenie jego parametrów porządkowych. Multiferroiczne ściany domen mogą wykazywać szczególne właściwości statyczne i dynamiczne.

Właściwości statyczne odnoszą się do ścian nieruchomych. Mogą wynikać z

• Zmniejszona wymiarowość
• Skończona szerokość ściany
• Inna symetria ściany
• Właściwa niejednorodność chemiczna, elektronowa lub niejednorodność parametrów porządkowych w ścianach i wynikające z niej efekty gradientu.

Synteza

Właściwości multiferroiczne mogą występować w wielu różnych materiałach. Dlatego kilka konwencjonalnymi drogami materiałem użytym do wytworzenia stosuje się, w tym stałego stanu syntezy , syntezy hydrotermalnej , przetwarzania zolu-żelu , osadzanie próżniowe podstawie i strefy pływającej .

Niektóre rodzaje multiferroików wymagają bardziej wyspecjalizowanych technik przetwarzania, takich jak:

• Osadzanie próżniowe (na przykład: MBE , PLD ) do osadzania cienkowarstwowego w celu wykorzystania pewnych zalet, które mogą nieść ze sobą dwuwymiarowe struktury warstwowe, takie jak: multiferroiki za pośrednictwem odkształceń, heterostruktury, anizotropia.
• Synteza wysokociśnieniowa w stanie stałym w celu stabilizacji struktur metastabilnych lub silnie zniekształconych, lub w przypadku multiferroików na bazie Bi ze względu na dużą lotność bizmutu.

Lista materiałów

Większość zidentyfikowanych do tej pory materiałów multiferroicznych to tlenki metali przejściowych, które są związkami złożonymi z (zwykle 3d ) metali przejściowych z tlenem i często dodatkowym kationem grupy głównej. Tlenki metali przejściowych są korzystną klasą materiałów do identyfikacji multiferroików z kilku powodów:

• Zlokalizowane elektrony 3D na metalu przejściowym są zwykle magnetyczne, jeśli są częściowo wypełnione elektronami.
• Tlen znajduje się w „słodkim miejscu” w układzie okresowym, ponieważ wiązania, które tworzy z metalami przejściowymi, nie są ani zbyt jonowe (jak jego sąsiedni fluor, F), ani zbyt kowalencyjne (jak sąsiedni azot, N). W rezultacie jego wiązania z metalami przejściowymi są raczej polaryzowalne, co sprzyja ferroelektryczności.
• Metale przejściowe i tlen wydają się być obfite w ziemię, nietoksyczne, stabilne i przyjazne dla środowiska.

Wiele multiferroików ma strukturę perowskitu . Jest to po części historyczne – większość dobrze zbadanych ferroelektryków to perowskity – a po części ze względu na wysoką chemiczną wszechstronność struktury.

Poniżej znajduje się lista niektórych najlepiej zbadanych multiferroików z ich ferroelektrycznymi i magnetycznymi temperaturami uporządkowania. Gdy materiał wykazuje więcej niż jedno ferroelektryczne lub magnetyczne przejście fazowe, podaje się najbardziej istotne dla zachowania multiferroicznego.

Zobacz też

• Ferrotroidyczność

Recenzje Multiferroics

• Spaldin, Nicola A. (2020). "Multiferroika poza kontrolą pola elektrycznego magnetyzmu" . Proc. Roya. Soc. . 476 (2233): 0542. arXiv : 1908.08352 . Kod Bib : 2020RSPSA.47690542S . doi : 10.1098/rspa.2019.0542 . PMC  7016559 . PMID  32082059 .
• Spaldin, NA; Ramesz, R. (2019). "Postępy magnetoelektrycznej multiferroiki" . Natura . 18 (3): 203–212. doi : 10.1038/s41563-018-0275-2 . PMID  30783227 . S2CID  73464831 .
• Spaldin, Nicola A. (2017). „Multiferroics: przeszłość, teraźniejszość i przyszłość” . Biuletyn Pani . 42 (5): 385–390. doi : 10.1557/mrs.2017.86 . ISSN  0883-7694 .
• Spaldin, Nicola A. (2017). „Multiferroics: od kosmicznie dużego do subatomowo małego”. Materiały Recenzje natury . 2 (5): 17017. Kod bib : 2017NatRM...217017S . doi : 10.1038/natrevmats.2017.17 .
• Fiebig, M.; Lottermoser, Th.; Meier, D.; Trassin, M. (2016). „Ewolucja multiferroiku”. Materiały Recenzje przyrody . 1 (8): 16046. Kod bib : 2016NatRM...116046F . doi : 10.1038/natrevmats.2016.46 .
• Dong, S.; Liu, JM; Cheong, SW; Ren, ZF (2015). „Materiały multiferroiczne i fizyka magnetoelektryczna: symetria, splątanie, wzbudzenie i topologia”. Postępy w fizyce . 64 (5–6): 519–626. arXiv : 1512.05372 . Kod Bibcode : 2015AdPhy..64..519D . doi : 10.1080/00018732.2015.1114338 . S2CID  119182615 .
• Piatakow, AP; Zvezdin, AK (2012). „Media magnetoelektryczne i multiferroiczne”. Fizyka-Uspekhi . 55 (6): 557–581. Kod bib : 2012PhyU...55..557P . doi : 10.3367/ufne.0182.201206b.0593 .
• Ma, J.; Hu, JM; Li, Z.; Nan, CW (2011). „Najnowsze postępy w multiferroicznych kompozytach magnetoelektrycznych: od masy do cienkich warstw”. Zaawansowane materiały . 23 (9): 1062–1087. doi : 10.1002/adma.2010003636 . PMID  21294169 .
• Akbaszew, AR; Kaul, AR (2011). „Strukturalne i chemiczne aspekty projektowania materiałów multiferroicznych”. Rosyjskie recenzje chemiczne . 80 (12): 1159–1177. Kod bib : 2011RuCRv..80.1159A . doi : 10.1070/rc2011v080n12abeh004239 .
• Tokura, Y.; Seki, S. (2010). „Multiferroics ze spiralnymi zamówieniami wirowania”. Przysł. Matko. 22 (14): 1554–1565. doi : 10.1002/adma.200901961 . PMID  20496385 .
• Spaldin, Nicola A.; Cheong, Sang-Wook; Ramesz, Ramamoorthy (01.10.2010). „Multiferroics: przeszłość, teraźniejszość i przyszłość”. Fizyka dzisiaj . 63 (10): 38–43. Kod Bibcode : 2010PhT....63j..38S . doi : 10.1063/1.3502547 .
• Wang, KF; Liu, JM; Ren, ZF (2009). „Wieloferroityczność: sprzężenie między rzędami magnetycznymi i polaryzacyjnymi”. Przysł. Fiz. 58 (4): 321–448. arXiv : 0908.0662 . Kod bib : 2009AdPhy..58..321W . doi : 10.1080/00018730902920554 . S2CID  118149803 .
• Chomski, D. (2008). „Wielogatunkowość dzięki zamawianiu wsadu”. Journal of Physics: Materia skondensowana . 20 (43): 434217. arXiv : 0803,2964 . Kod bib : 2008JPCM...20Q4217V . doi : 10.1088/0953-8984/20/43/434217 . S2CID  1037678 .
• Nan, Ce-Wen; Biczurin, MI; Dong, Shuxiang; Viehland, D.; Srinivasan, G. (2008). „Wieloferroiczne kompozyty magnetoelektryczne: perspektywa historyczna, status i przyszłe kierunki”. J. Appl. Fiz . 103 (3): 031101–031101–35. Kod bib : 2008JAP...103c1101N . doi : 10.1063/1.2836410 .
• Spaldin, Nicola A.; Ramesz, R. (2008-11-01). „Kontrola pola elektrycznego magnetyzmu w złożonych cienkich warstwach tlenkowych” . Biuletyn Pani . 33 (11): 1047–1050. doi : 10.1557/mrs2008.224 . ISSN  1938-1425 .
• Kimura, T. (2007). „Magnesy spiralne jako magnetoelektryka”. Annu. Ks. Mater. Res. 37 : 387–413. Kod bib : 2007AnRMS..37..387K . doi : 10.1146/annurev.matsci.37.052506.084259 .
• Śliniaki, M.; Barthelemy, A. (2007). „Spintronika tlenkowa”. IEEE Trans. Elektron. Odw. 54 (5): 1003–1023. arXiv : 0706.3015 . Kod bib : 2007ITED...54.1003B . doi : 10.1109/ted.2007.894366 . S2CID  8544618 .
• Cheong, SW; Mostowoj, M. (2007). „Multiferroika: magnetyczny zwrot w ferroelektryczności” (PDF) . Materiały przyrodnicze . 6 (1): 13–20. Kod bib : 2007NatMa...6...13C . doi : 10.1038/nmat1804 . hdl : 11370/f0777dfc-d0d7-4358-8337-c63e7ad007e7 . PMID  17199121 .
• Ramesz, R.; Spaldin, NA (2007). „Multiferroics: postęp i perspektywy w cienkich filmach”. Materiały przyrodnicze . 6 (1): 21–29. Kod Bibcode : 2007NatMa...6...21R . doi : 10.1038/nmat1805 . PMID  17199122 .
• Tokura, Y. (2007). „Multiferroics – w kierunku silnego sprzężenia między namagnesowaniem a polaryzacją w ciele stałym”. J. Mag. Mag. Mata. 310 (2): 1145–1150. Kod Bib : 2007JMMM..310.1145T . doi : 10.1016/j.jmmm.2006.11.198 .
• Rao, CNR; Serrao, CR (2007). „Nowe drogi do multiferroiku”. J. Mater. Chem. 17 (47): 4931. doi : 10.1039/b709126e .
• Eerenstein, W.; Mathur, ND; Scott, JF (2006). „Multiferroic i materiały magnetoelektrycznych ' ”. Natura . 442 (7104): 759-765. Kod Bib : 2006Natur.442..759E . doi : 10.1038/nature05023 . PMID  16915279 . S2CID  4387694 .
• Chomski, DI (2006). „Multiferroika: różne sposoby łączenia magnetyzmu i ferroelektryczności”. J. Mag. Mag. Mata. 306 (1): 1. arXiv : cond-mat/0601696 . Kod bib : 2006JMMM..306..1K . doi : 10.1016/j.jmmm.2006.01.238 . S2CID  119377961 .
• Tokura, Y. (2006). "Multiferroics jak Quantum Elektromagnesy ' ". Nauka . 312 (5779): 1481–1482. doi : 10.1126/science.1125227 . PMID  16763137 . S2CID  136576668 .
• Prellier, W.; Singh, poseł; Murugavel, P. (2005). „Jednofazowe tlenki multiferroic: od masy do cienkiej warstwy”. J. Phys.: Kondens. Sprawa . 17 (30): R803. Kod Bibcode : 2005JPCM...17R.803P . doi : 10.1088/0953-8984/17/30/r01 .
• Fiebig, M. (2005). „Odrodzenie efektu magnetoelektrycznego”. J. Fiz. D: Ub. Fiz. 38 (8): R123. Kod Bibcode : 2005JPhD...38R.123F . doi : 10.1088/0022-3727/38/8/r01 .
• Spaldin, NA ; Fiebig, M. (2005). „Renesans magnetoelektrycznych multiferroików”. Nauka . 309 (5733): 391–392. doi : 10.1126/science.1113357 . PMID  16020720 . S2CID  118513837 .

Rozmowy i filmy dokumentalne o multiferroikach

Dokument France 24 „Nicola Spaldin: pionier multiferroiki” (12 minut) https://www.youtube.com/watch?v=bfVKtIcl2Nk&t=10s

Seminarium „Electric field control of magnetism” R. Ramesha na U Michigan (1 godz.) https://www.youtube.com/watch?v=dTpr9CEYP6M

Nagroda Maxa Roesslera za multiferroics na ETH Zürich (5 minut): https://www.youtube.com/watch?v=Nq0j6xrNcLk

Kolokwium ICTP „Od materiałów do kosmologii; Badanie wczesnego Wszechświata pod mikroskopem” Nicola Spaldin (1 godz.) https://www.youtube.com/watch?v=CYHB0BZQU-U

Badanie Tsuyoshi Kimury na temat „W stronę wysoce funkcjonalnych urządzeń wykorzystujących multiferroiki” (4 minuty): https://www.youtube.com/watch?v=_KfySbeVO4M

„Silna korelacja między elektrycznością a magnetyzmem w materiałach” Yoshi Tokura (45 minut): https://www.youtube.com/watch?v=i6tcSXbEELE

„Przełamywanie muru do następnej epoki materialnej”, Falling Walls, Berlin (15 minut): https://www.youtube.com/watch?v=pirXBfwni-w

Bibliografia