Ученые МФТИ совместно с коллегами из Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) объединили оптический и акустический подходы и обнаружили, что добавление титана в гексаферрит бария позволяет создать особую подструктуру в кристаллической решетке, сообщает пресс-служба МФТИ.
Новый материал может быть использован для создания сверхбыстрой компьютерной памяти. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
Мультиферроики — это материалы, обладающие сразу несколькими упорядочениями. Например, они могут одновременно быть сегнетоэлектриками (обладать в определенном диапазоне температур спонтанной поляризацией) и ферромагнетиками (ниже определенной температуры становиться намагниченным в отсутствии внешнего магнитного поля).
Исследователи изучают фундаментальные свойства мультиферроиков, чтобы получать материалы с заданными свойствами или изменять эти свойства направленным образом. Мультиферроики находят применение в технологиях сверхбыстрой магнитной памяти, терагерцовой (с передачей данных за триллионные доли секунды) телекоммуникации или антирадарных покрытиях.
Объединив оптический (терагерцовую спектроскопию) и акустический (исследование поглощения и скорости ультразвука) экспериментальные методы с целью поподробнее «рассмотреть» гексаферрит бария с примесью титана, ученые пронаблюдали интересные особенности в поведении материала.
«Оптика и акустика — как зрение и слух, дополняя и при этом не повторяя друг друга, вместе позволяют получить наиболее полную информацию об исследуемом объекте. И если при исследованиях двумя принципиально различными методиками при одних и тех же температурах наблюдаются некие эффекты, это значит, что что-то происходит в образце на микроскопическом уровне, и надо найти механизм, из-за которого эти эффекты проявляются», — говорит руководитель направления «Мультиферроики», старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ Людмила Алябьева.
Ученые нашли объяснение необычному поведению одновременно оптических и акустических свойств исследуемого материала. Оказалось, что при добавлении титана в гексаферрите бария изменяется характер подрешетки ионов железа. Атомы примеси заставляют часть атомов железа менять свою степень окисления и образовывать подструктуру в основной решетке — так называемую ян-теллеровскую подрешетку.
Когда в основную решетку кристалла добавляют примеси, новые атомы встраиваются в структуру, заменяя кого-то из прежних «жильцов». При добавлении в гексаферрит бария титан становится на место некоторых атомов железа. При этом атом титана и атом железа находятся в разных валентных состояниях: титан четырехвалентный, а железо трехвалентное. Валентность отражается и на электрическом заряде ионов в кристалле, и на их размере.
«Мы впервые обнаружили новый механизм формирования подрешетки ян-теллеровских центров: ее образуют не атомы примеси, как это обычно происходит, а часть атомов исходного кристалла», — комментирует ведущий научный сотрудник кафедры экспериментальной физики УрФУ Владимир Гудков.
Наличие подрешетки Яна — Теллера ведет к появлению необычных свойств кристалла. Например, возникает возможность воздействовать на магнитные подсистемы с помощью электрического поля (скажем, с помощью Т-лучей перемагничивать биты сверхбыстрой компьютерной памяти).
Над исследованием работают сотрудники МФТИ, УрФУ, ЮрГУ, УрО РАН, ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф, Штутгартского и Техасского университетов.
УрФУ — один из ведущих университетов России, участник проекта 5-100, расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных университетских игр 2023 года. Вуз выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».
