Tavaliselt saab materjal olla kas magnetiliselt või elektriliselt polariseeritud, ent mitte mõlemat korraga. Nüüd on aga Kopenhaageni Ülikooli Niesl Bohri Instituudi teadlased uurinud materjali, mis on üheaegselt nii elektriliselt kui magnetiliselt polariseeritav. Avastus avab uusi võimalusi näiteks tuleviku sensortehnoloogias. Tööd kirjeldav artikkel avaldati teadusajakirjas Nature Materials.
Kaheksa haruga küünlajalga meenutav graafik on tõend, et 3.3 K temperatuuril on TbFeO3 domeenikihid kindla ruumilise sammuga eraldatud. Harilikuma metalli juhuslik domeenstruktuur näeks samade tingimuste juures välja kui sõrendatud kärbsepiits.
Materjalid, mis on nii elektriliselt kui magnetiliselt polariseeritavad on lisaks ka multiferroidsed. 1960ndatel Vene teadlaste poolt avastatud materjalide uurimiseks puudusid tollal korralikud vahendid. Uue aatomilise resolutsiooniga uurimistehnoloogia valguses on aga materjaliklassi teadusele suunatud värsket tähelepanu.
„Uurisime haruldast looduslikult esinevat rauaühendit TbFeO3, kasutades selleks tugevat magnetvälja ja neutronkiirgust. Metall jahutati temperatuurini 3,3 K. Tuvastasime, et materjal on organiseeritud ühilduvatesse kihtidesse, mis koosnevad raua ja hapniku aatomitega eraldatud raskemetalli terbiumi ridadest. Põhjalikult uuritud struktuuri kõrval on materjali domeenstruktuur olnud seni vaatlemata. Tavaliselt paiknevad metallide domeenid üsna juhuslikult, ent katses avastasime, et TbFeO3 domeenid paiknevad võrdsete vahekaugustega ja ühes sihis justkui nooled. Olime nähtust üllatunud,“ seletas Kopenhaageni Ülikooli nanoteaduse keskuse dotsent Kim Lefmann.
Eksperimendid viidi läbi Berliini Helmholzi neutronuuringute keskuses koostöös Hollandi, Rootsi, Taani ja Saksamaa teadlastega. Koos plaanitakse paremini formuleerida materjali üldisi füüsikalisi omadusi kirjeldavad mudelid. Praeguseks ollakse jõudnud selgema arusaamiseni materjali struktuuri ja füüsikaliste omaduste seostest.
„Mudelite kohaselt interakteeruvad terbiumi kihid üksteisega magnetspinni lainete vahendusel, mis levivad magnetiliste raua vahekihtide abil. Tulemuseks on tuuma- ja osakestefüüsikast tuntud Yukawa-potentsiaalile sarnanev jõud. Materjali interaktsioonijõud on teatud mõttes sarnased selle sisestruktuuri koos hoidvatele jõududele,“ seletas Niels Bohri instituudi dotsent Heliosa Bordallo.
Raua, siirdemetalli ja haruldase terbiumi vaheline interaktsioon levib materjali magneto-elektriliste omaduste olemuses
Teadlased avastasid TbFeO3 magnetvälja domeenides aatomite ridade sihis ebatavaliselt kiire üleminekuga spinnjärjestuse. Leiti moodustis, mida kutsutakse solitoni domeeni seinaks (soliton domain wall). Spinnide üles-alla varieeruvuse laius on ligikaudu 20 nanomeetrit, samas kui domeeni seinad on mõne kümnendiku nanomeetri paksused, mis on ebatavaline kombinatsioon. Alumisel pildil on näha ühe sellise domeeni seina illustratsioon, mille värvigradiendiga väljendatud teravus (tumedamas piirkonnas) on põhjustatud suurest hulgast sarnasest küünlajalga meenutava (ülal) graafilise jaotuse difraktsiooniandmetest. Ülemisel pildil on kujutatud domeenisein harilikumas materjalis. Sein on paksem ja spinn-üleminekud toimuvad vasakult-paremale või paremalt-vasakule suunas aeglasemalt kui alumisel illustratsioonil.
olulist rolli. Terbiumi spinnilained põhjustavad täheldatava kasvu materjali elektrilises polarisatsioonis. Ioonide interaktsioonid tekitavad aga ühe tugevama jälgitud magneto-elektrilise efekti.
„Oleme leidnud multiferroidsete materjalide avastamiseks ja modelleerimiseks uue viisi,“ rõhutasid töörühma teadlased. Nüüd tegeletakse uuele materjalile rakenduste otsimisega.
Allikas: Phys.org
Leave a Reply