В течение нескольких десятилетий учёные заняты исследованием группы необычных материалов под названием мультиферроики, которые могут быть полезны для ряда применений, включая компьютерную память, химические сенсоры и квантовые компьютеры. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, учёные из Техасского университета в Остине и Института структуры и динамики материи им. Макса Планка (MPSD) продемонстрировали, что многослойный мультиферроик иодид никеля (NiI2) может быть наилучшим на текущий момент кандидатом для устройств, обладающих исключительной быстротой и компактностью.
Мультиферроики обладают особым свойством под названием магнитоэлектрическое сцепление, что означает, что можно манипулировать магнитными свойствами материала с помощью электрического поля и наоборот, электрическими свойствами с помощью магнитного поля. Исследователи обнаружили, что магнитоэлектрическая связь NiI2 выше, чем у других известных материалов такого типа, что делает его первым кандидатом для развития технологий.
«Обнаружить эти свойства на уровне хлопьев иодида никеля толщиной в атом было нелёгкой задачей», – говорит Фрэнк Гао, постдок на факультете физики в ТУ и один из ведущих авторов статьи, — но наш успех — это существенное достижение в области мультиферроиков».
«Наше открытие прокладывает путь для исключительно быстрых и энергонезатратных магнитоэлектрических устройств, включая магнитную память», — добавил аспирант Синьюэ Пэн, ещё один ведущий автор проекта.
Электрические и магнитные поля имеют фундаментальную важность для нашего понимания мира и современных технологий. Внутри материала электрические заряды и магнитные моменты атома могут выстраиваться таким образом, что их свойства суммируются, образуя электрическую поляризацию или магнетизацию. Такие материалы известны как ферроэлектрики или ферромагниты, в зависимости от того, какие из этих характеристик находятся в упорядоченном состоянии.
Однако, в экзотических материалах, коими являются мультиферроики, такие электрические и магнитные порядки сосуществуют. Магнитные и электрические порядки могут переплетаться таким образом, что изменение в одном приводит к изменению в другом. Это свойство, известное как магнитоэлектрическая связь, делает эти материалы привлекательными кандидатами для более быстрых, компактных и производительных устройств. Чтобы такие устройства работали эффективно, важно найти материалы с особенно сильными магнитоэлектрическими связями, подобно описанному учёными опыту работы с NiI2 в их исследовании.
Исследователи добились этого облучив материал ультракороткими лазерными импульсами в фемтосекундном диапазоне (миллионных или миллиардных долей секунды) и зафиксировав полученные в результате изменения в электрическом и магнитном порядке и магнитоэлектических связях материала за счёт их воздействия на специфические оптические свойства.
Чтобы понять почему магнитоэлектрические связи NiI2 намного сильнее, чем в подобных материалах, исследователи выполнили большое количество расчётов.
«Здесь важную роль играют два фактора», — говорит соавтор статьи Эмиль Виньяс Бострём из MPSD. — Один из них — сильная связь между спином электрона и орбитальным движением на атомах йода – это релятивистский эффект, известный как спин-орбитальная связь. Второй фактор – особая форма магнитной упорядоченности иодида никеля, известная как спиновая спираль. Эта упорядоченность критически важна как для инициирования ферроэлектрического порядка, так и для силы магнитоэлектрической связи».
Материалы вроде NiI2 с сильной магнитоэлектрической связью могут иметь широкий спектр потенциальных применений, говорят исследователи. Сюда входят магнитная компьютерная память, компактная и обладающая низкой энергозатратностью, которую можно сохранять и извлекать намного быстрее, чем существующую память, коммутаторы платформ квантовых вычислений, и химические сенсоры, способные обеспечивать контроль качества и безопасность лекарственных препаратов в химической и фармацевтической промышленности.
Исследователи надеются, что эти революционные наработки можно использовать для идентификации других материалов с подобными магнитоэлектрическими свойствами, и что другие методы разработки материалов вероятно способны привести к дальнейшему усилению магнитоэлектрических связей в NiI2.
Эта работа проводилась по замыслу и под руководством Эдоардо Балдини, профессора-адъюнкта ТУ и Энджел Рубио, директора MSPD.
Другими авторами статьи из ТУ были: Донг Сеоб Ким и Сяоцинь Ли. Другие авторы из MSPD — Синьле Чэн и Пэйдже Тан. Кроме того, в авторстве принимали участие Равиш К. Джейн, Дипак Вишну, Калайванан Раджу, Раман Шанкар и Шан-Фань Ли из Academia Sinica, Майкл А. Сентеф из Бременского университета и Такаси Курумадзи из Калифорнийского технологического института.
Финансирование этого исследования предоставлялось Фондом Роберта А. Уэлча, Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС США, Программой Евросоюза по исследованиям и инновациям Horizon Europe, Cluster of Excellence "CUI: Advanced Imaging of Matter," Grupos Consolidados, совместный центр института Макса Планка и Нью-Йорка по неравновесным квантовым феноменам, Фондом Саймонса и Министерством науки и технологии Тайваня.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источник.
Материалы предоставлены Техасским университетом в Остине.
Вам также может быть интересно: