Коллектив ученых из Московского Физико-Технического института, Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» и Института общей физики им. Прохорова предложили теоретическую модель, объясняющую неожиданно высокие значения линейного магнитоэлектрического эффекта в BiFeO3 (феррите висмута), наблюдаемые в целом ряде экспериментов, а также предложили способ дальнейшего усиления данного эффекта. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.
Особенностью феррита висмута является то, что в объемных образцах спины ионов железа Fe3+ выстраиваются в виде пространственной циклоиды. Такую спиновую структуру можно разрушить сильным магнитным полем или механическими напряжениями. В отсутствие спиновой циклоиды в феррите висмута проявляется большой линейный магнитоэлектрический эффект, который и стал объектом исследований.
Спиновая циклоидная структура в BiFeO3. Источник: Пресс-служба МФТИ
«Теоретическое описание, изложенное в статье, может быть применимо и для других мультиферроиков, подобных BiFeO3. Это позволит предсказывать значение их магнитоэлектрического эффекта, что, в свою очередь, упростит поиск перспективных материалов для промышленного применения», — комментирует заведующий Лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ Анатолий Константинович Звездин.
Мультиферроики и магнитоэлектрический эффект
Мультиферроики — это вещества, которые одновременно проявляют признаки магнетиков, сегнетоэлектриков и/или сегнетоэластиков. Если в материале присутствует взаимодействие между электрической и магнитной подсистемами, то может проявляться магнитоэлектрический (МЭ) — эффект.
Магнитоэлектрический эффект представляет собой возникновение электрической поляризации под действием внешнего магнитного поля и намагниченности под действием электрического поля. Это позволяет с помощью электрического поля управлять магнитными свойствами материала и посредством магнитного поля — электрическими. В случае, когда значение МЭ-эффекта высоки (в десятки-сотни раз больше обычного), он называется гигантским.
На сегодняшний день основное применение магнитоэлектрический эффект нашел в датчиках переменного и постоянного магнитного поля. Они используются в системах навигации, электродвигателях, а также системах зажигания автомобиля. По сравнению с аналогами на основе эффекта Холла или магнетосопротивления, такие датчики более чувствительны (согласно исследованиям, вплоть до миллиона раз) и при этом относительно дешевы в изготовлении.
Объектом данной работы является феррит висмута (BiFeO3) — один из наиболее интересных и перспективных для практических приложений мультиферроиков. Например, на его основе планируется создать сверх-энергоэффективную магнитоэлектрическую память.
Кроме того, феррит висмута проявляет магнитоэлектрический эффект при комнатной температуре, в то время как у большинства магнитоэлектриков МЭ-эффект той же величины наблюдается только при экстремально низких температурах (ниже -160 градусов Цельсия). Феррит висмута — антиферромагнетик, то есть магнитные моменты его магнитных подрешеток (структур, образованных атомами с одинаковыми и параллельными спинами) компенсируют друг друга, и суммарная намагниченность материала близка к нулю. При этом пространственное расположение спинов образует ту самую циклоидную спиновую структуру.
В 80-х считалось, что у этого мультиферроика проявляется только квадратичный магнитоэлектрический эффект (поляризация зависит от приложенного магнитного поля квадратично). То, что линейный магнитоэлектрический эффект долгое время «не замечали», связано всё с той же спиновой циклоидой (рис.1): из-за спиновой циклоиды некоторые характеристики, такие, как намагниченность и магнитоэлектрический эффект «усредняются» к нулю. Однако, при помещении феррита висмута в сильное магнитное поле (больше некоторого критического) такая структура разрушается, что сопровождается возникновением линейного МЭ-эффекта (когда зависимость поляризации от приложенного поля является линейной функцией).
Ранние эксперименты указывали на малое значение линейного магнитоэлектрического эффекта (почти в тысячу раз меньше актуального значения) в феррите висмута, однако более поздние экспериментальные исследования показали наличие большого МЭ-эффекта, и, кроме того, было показано, что используя его в слоистых структурах, можно добиться рекордных значений магнитоэлектрического эффекта.
Авторы статьи разработали теоретическое обоснование возникновения линейного МЭ-эффекта на основе теории Гинзбурга-Ландау и объяснили ранее большое экспериментальное значение этого эффекта. Кроме того, в рамках своей теории исследователи показали возможность усиления МЭ-эффекта в присутствии электростатического поля.
