Написано AZoNano 28 июля 2020 [19459][19459

Исследователи из МФТИ и их коллеги из Уральского федерального университета объединили оптические и акустические подходы и обнаружили, что включение атомов титана в гексаферрит бария приводит к неожиданному образованию субструктуры в кристаллической решетке. Полученный материал перспективен для применения в сверхбыстрой компьютерной памяти. Результаты были опубликованы в научных докладах .

Мультиферроик представляет собой материал, характеризующийся более чем одним типом внутреннего упорядочения. Например, он может проявлять как сегнетоэлектрические, так и ферромагнитные свойства, в зависимости от температуры. Это означает, что материал подвергается спонтанной поляризации в определенном температурном диапазоне, и ниже другой критической температуры он намагничивается даже в отсутствие внешнего магнитного поля.

Исследователи изучают фундаментальные свойства мультиферроиков для создания материалов с желаемыми характеристиками, которые можно изменять контролируемым образом. Мультиферроики применимы в устройствах со сверхбыстрой магнитной памятью, антибликовыми покрытиями и быстрой передачей данных на терагерцовых частотах, то есть с точностью до триллионных долей секунды.

Исследователи объединили оптический и акустический подходы в эксперименте, чтобы исследовать свойства легированного титаном гексаферрита бария. Исследование объединило терагерцовую спектроскопию с анализом затухания ультразвуковой волны и скорости, выявив необычное поведение материала.

«Оптика и акустика подобны зрению и слуху в том смысле, что они дополняют, а не повторяют друг друга. Два канала вместе обеспечивают более полное понимание объекта », – сказала Людмила Алябьева, курирующая исследования мультиферроиков в лаборатории терагерцевой спектроскопии МФТИ. «Всякий раз, когда два совершенно разных экспериментальных метода демонстрируют, что определенные явления происходят при определенной температуре, это является сильным свидетельством того, что что-то происходит в образце на микроскопическом уровне. Поэтому нам нужно определить механизм, стоящий за этими эффектами ».

Ученые нашли способ объяснить как необычные оптические свойства материала, так и акустические. Оказалось, что включение титана в гексаферрит бария влияет на подрешетку железа в материале. Присутствие посторонних атомов приводит к тому, что некоторые атомы железа изменяют свое состояние окисления и образуют так называемую подрешетку Яна-Теллера – вторичную структуру в кристаллической решетке материала.

Когда инородные атомы вставляются в решетку кристалла, они заменяют некоторые атомы-хозяева. В случае гексаферрита бария титан замещает часть железа. Однако то, что отличает два элемента, состоит в том, что железо имеет валентность три в гексаферрите, а титан – четырехвалентный. Это означает, что ионы этих двух металлов в кристалле различаются по размеру и электрическому заряду.

«Когда ион трехвалентного железа заменяется меньшим ионом четырехвалентного титана, это искажает решетку и нарушает электрическую нейтральность. Но электрическая нейтральность должна как-то сохраняться, это фундаментальное правило », – объяснил Борис Горшунов, который возглавляет терагерцовую спектроскопическую лабораторию в МФТИ. «В результате некоторые из соседних атомов железа становятся двухвалентными, чтобы компенсировать заряд ионов титана». Эти структурные изменения являются причиной необычных оптических и акустических свойств материала, наблюдаемых командой.

«Наше исследование является первым, чтобы осветить новый механизм, порождающий подрешетку ян-теллеровских центров. Вместо того, чтобы образовываться из примесных атомов, как это обычно бывает, подрешетка состоит из некоторых атомов кристалла-хозяина », – прокомментировал профессор Уральского федерального университета Владимир Гудков

.

Появление подрешетки Яна-Теллера в кристалле приводит к необычным и потенциально ценным свойствам. Например, магнитные подсистемы, которые возникают в материале, могут использоваться в сверхбыстрой памяти компьютера, перемагниченной терагерцовым излучением, также известным как T-волны.

Наряду с командой терагерцовой спектроскопической лаборатории МФТИ, в исследовании сообщалось, что в этой истории участвовали исследователи из Уральского федерального университета, Южно-Уральского государственного университета, Гельмгольца-Центра Дрездена-Россендорфа, Института физики металлов им. Михеева УрО РАН, Иоффе Физико-технический Институт РАН, Штутгартский университет и Техасский университет в Остине.

Источник: https://mipt.ru/english/