Ферромагнитные материалы обладают самогенерирующимся магнитным полем, сегнетоэлектрические материалы генерируют собственное электрическое поле. Хотя электрические и магнитные поля связаны, физика говорит нам, что это очень разные классы материалов. Теперь открытие учеными из Уорикского университета сложного электрического «вихревого» узора, который отражает его магнитный аналог, предполагает, что они на самом деле могут быть двумя сторонами одной медали.
Подробно описанное в новом исследовании для журнала Nature, финансируемом Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC), подразделением UK Research and Innovation, и Королевским обществом, результаты дают первое свидетельство процесса в сегнетоэлектрические материалы, сравнимые с взаимодействием Дзялошинского-Мория в ферромагнетиках. Это конкретное взаимодействие играет ключевую роль в стабилизации топологических магнитных структур, таких как скирмионы, и может иметь решающее значение для потенциальных новых электронных технологий, использующих их электрические аналоги.
Сегнетоэлектрические кристаллы уже много лет используются в различных технологиях, включая гидролокаторы, звуковые преобразователи и приводы. Все эти технологии используют собственные электрические диполи и их взаимосвязь между кристаллической структурой материала и приложенными полями..
Для этого исследования ученые создали тонкую пленку сегнетоэлектрического титаната свинца, зажатую между слоями ферромагнетика рутената стронция, каждый толщиной около 4 нанометров - всего в два раза больше толщины одной нити ДНК.
В то время как атомы двух материалов образуют единую непрерывную кристаллическую структуру, в сегнетоэлектрическом слое титаната свинца электрическая поляризация обычно формирует несколько «доменов», подобных сотам. Эти домены можно наблюдать только с помощью современной просвечивающей электронной микроскопии и рентгеновского рассеяния.
Но когда команда Уорикского университета исследовала структуру объединенных слоев, они увидели, что домены в титанате свинца представляют собой сложную топологическую структуру из линий вихрей, вращающихся попеременно в разных направлениях.
Почти такое же поведение наблюдалось и в ферромагнетиках, где, как известно, оно порождается взаимодействием Дзялошинского-Мория (DMi).
Ведущий автор, профессор Марин Алекс с факультета физики Уорикского университета, сказал: «Если вы посмотрите на то, как уменьшаются эти характеристики, разница между ферромагнетизмом и ферроэлектричеством становится все менее и менее важной. Возможно, в какой-то момент они сольются в один уникальный материал. Это может быть искусственным и комбинировать очень маленькие ферромагнетики и сегнетоэлектрики, чтобы использовать преимущества этих топологических особенностей. Для меня совершенно ясно, что мы находимся на вершине айсберга в отношении того, куда пойдет это исследование».
Соавтор Дорин Русу, аспирант Уорикского университета, сказал: «Понимание того, что в сегнетоэлектриках диполярные текстуры, которые в такой степени имитируют их магнитные аналоги, обеспечивает дальнейшие исследования фундаментальной физики, которые определяют такое сходство. Этот результат не является тривиальным, если принять во внимание разницу в происхождении и напряженности электрического и магнитного полей».
Существование этих вихрей предполагалось ранее, но для их точного наблюдения потребовалось использование передовых электронных микроскопов в Уорикском университете, а также использование синхротронов в четырех других учреждениях. Эти методы позволили ученым измерить положение каждого атома с высокой степенью достоверности.
Соавтор профессор Ана Санчес сказала: «Электронная микроскопия - это метод, который меняет правила игры в понимании этих топологических структур. Это ключевой инструмент для выявления всех тонкостей этих новых материалов с использованием субатомного пучка электронов. для создания изображений внутренней структуры."
Соавтор, профессор Томас Хейз, добавил: «Для этого конкретного исследования решающее значение имел доступ к высококлассным объектам в Великобритании, Европе и США».