Магнитоэлектрическая поляризуемость: Обзор

Это ключевое понятие в современной области материаловедения, которое объясняет способность некоторых материалов объединять электрические и магнитные реакции в рамках одной структуры. Это означает, что приложенное электрическое поле влияет на магнитное состояние материала, и наоборот, электрическая поляризация изменяется под воздействием магнитного поля. Поскольку в большинстве материалов электричество и магнетизм рассматриваются как независимые свойства, возможность регулировать одно из них с помощью другого открывает множество перспектив для развивающихся технологий, особенно тех, которые требуют точного управления при очень низком потреблении энергии.

На микроскопическом уровне магнитоэлектрическая поляризуемость берет свое начало во взаимодействии электрических диполей с магнитными моментами. Эти взаимодействия структурированы и направлены, а сила связи описывается магнитоэлектрическим тензором. Этот тензор отражает величину и направление реакции материала и, таким образом, предоставляет ученым количественный способ проверки материалов на пригодность для применения в запоминающих, чувствительных и спинтронных устройствах.

Ключевое уравнение

Одно из часто используемых выражений для описания магнитоэлектрического поведения выглядит следующим образом:

P = χe ε0 E + α H

В этом уравнении:

- P - электрическая поляризация,

- χₑ - электрическая восприимчивость,

- ε₀ - проницаемость вакуума,

- E - приложенное электрическое поле.

- α - коэффициент магнитоэлектрической связи,

- H - напряженность магнитного поля.

Член с αH представляет собой магнитоэлектрический эффект: приложенное магнитное поле, кроме того, вызывает электрическую поляризацию. Материалы с более высоким α демонстрируют более сильную перекрестную связь и, следовательно, представляют больший интерес для разработки передовых устройств.

История и развитие магнитоэлектрических исследований

Хотя связь между электричеством и магнетизмом была известна с XIX века, только в середине XX века начались исследования материалов, демонстрирующих прямой линейный магнитоэлектрический эффект. В 1959 году Ландау и Лифшиц создали теоретическую базу для того, чтобы показать, что определенные симметрии кристаллов позволяют осуществлять перекрестное взаимодействие между электрическим и магнитным полями. Наконец, в 1960 году Дзялошинский, предсказавший эффект в Cr₂O₃, экспериментально подтвердил его, а вскоре после этого Радо и Фолен провели экспериментальное наблюдение.

Этот прорыв вызвал шквал активности в поисках новых, более сильных и настраиваемых магнитоэлектрических реакций. На протяжении 1980-х и 1990-х годов исследования выходили за рамки простых антиферромагнитных оксидов и включали изучение сложных перовскитов, редкоземельных манганитов и слоистых композитов. Именно в начале 2000-х годов были заново открыты мультиферроики - материалы, такие как BiFeO₃, обладающие коллинеарным магнитным и ферроэлектрическим упорядочением. Эти мультиферроики значительно расширили возможности применения при комнатной температуре.

Энергоэффективные устройства, нейроморфные вычисления, наноразмерные актуаторы и новые архитектуры спинтроники сегодня определяют спрос на исследования в области магнитоэлектричества. Недавние прорывы связаны с топологическими материалами, искусственными гетероструктурами и деформируемыми тонкими пленками, которые демонстрируют еще более экзотическое магнитоэлектрическое поведение. То, что начиналось как теоретическая диковинка, стало центральной темой физики конденсированных сред и электроники нового поколения.

Магнитоэлектрик против электромагнетика: Разница

Магнитоэлектрический эффект часто путают с общими электромагнитными явлениями, но между ними существует четкое различие. Электромагнетизм описывает, как электрические и магнитные поля влияют друг на друга в пространстве, как зашифровано в уравнениях Максвелла. Связь между изменяющимися электрическими и магнитными полями универсальна и происходит во всех средах, включая пустое пространство.

Хотя магнитоэлектрическое поведение является свойством материалов, магнитоэлектричество возникает только в твердых телах, где электрический и магнитный порядки сосуществуют или взаимодействуют через кристаллическую решетку. Здесь связь является следствием не закона природы, а нарушения симметрии, спин-орбитальных взаимодействий или искажений решетки. Другими словами, все материалы подчиняются законам электромагнетизма, но лишь немногие обладают внутренней магнитоэлектрической связью.

Это существенное различие, которое имеет значение для приложений. Хотя электромагнитные волны создают поля в воздухе или вакууме, магнитоэлектрическая поляризуемость позволяет инженерам манипулировать свойствами материалов: например, переключать намагниченность с помощью напряжения, а не тока. Управляемый напряжением магнетизм значительно снижает энергопотребление, что является основной причиной интеграции магнитоэлектрических материалов в устройства памяти и логики с низким энергопотреблением.

Примеры магнитоэлектрических материалов

Несколько материалов, которые были детально изучены, демонстрируют сильную магнитоэлектрическую поляризуемость:

• Cr₂O₃ (оксид хрома) - оригинальный магнитоэлектрический материал, стабильный и антиферромагнитный.
• BiFeO₃ - мультиферроик с комнатной температурой, в котором сосуществуют ферроэлектрический и антиферромагнитный порядок.
• TbMnO3 - манганит тербия, обладающий сложной магнитной структурой, что приводит к перестраиваемым магнитоэлектрическим взаимодействиям.

Чтобы узнать больше о магнитоэлектрических материалах, посетите Stanford Advanced Materials в SAM.

Области применения магнитоэлектрической поляризуемости

Ценность магнитоэлектрических материалов обусловлена огромным разнообразием технологий, обеспечиваемых прямой связью между электрическими и магнитными реакциями. Сенсорные и исполнительные устройства опираются на чрезвычайно чувствительный контроль магнитного состояния с помощью электрических полей для обнаружения полей или механического движения. Энергонезависимая память использует магнитоэлектрическую запись вместо хранения данных с помощью магнитных полей, что потенциально снижает потребление энергии при постоянном сохранении информации. Магнитоэлектрические материалы в спинтронике в основном позволяют манипулировать переносом спинов с помощью напряжения, а не тока, что помогает повысить эффективность и снизить рассеивание тепла.

С уменьшением архитектур устройств и повышением требований к эффективности материалы с сильной магнитоэлектрической связью стали неотъемлемой частью электронных систем следующего поколения.

Часто задаваемые вопросы

Что такое магнитоэлектрическая поляризуемость?

Это свойство некоторых материалов, которое позволяет электрическим полям вызывать магнитную поляризацию, а магнитным полям - электрическую поляризацию.

Почему магнитоэлектрическая поляризуемость важна?

Приложения включают в себя низкоэнергетическое управление магнитным состоянием, что очень важно для датчиков, устройств памяти и спинтронных технологий.

Все ли материалы проявляют магнитоэлектрическое поведение?

Нет, только те магнитоэлектрические или мультиферроичные материалы, которые обладают соответствующей кристаллической симметрией и упорядоченностью, могут проявлять этот эффект.

Как измеряется магнитоэлектрическая поляризуемость?

Исследователи прикладывают контролируемые электрические и магнитные поля и измеряют индуцированную поляризацию или намагниченность.

Какие существуют проблемы, связанные с практическим применением?

Основные проблемы включают поиск материалов с сильной магнитоэлектрической связью при комнатной температуре и интеграцию этих материалов в существующие архитектуры устройств.