Мультиферроики — это материалы, которые проявляют более одного ферроидного свойства, обычно это сегнетоэлектричество (то есть спонтанная электрическая поляризация, которую можно изменить с помощью электрических полей) и ферромагнетизм (то есть спонтанное магнитное упорядочение спинов электронов). Эти материалы показали себя перспективными для разработки различных новых технологий, включая спинтронику — устройства, которые используют спин электронов для обработки и хранения информации.
На данный момент физики и материаловеды обнаружили два различных типа мультиферроиков, получивших названия мультиферроики I и II типа. В мультиферроиках I типа сегнетоэлектричество и магнетизм возникают независимо от различных физических механизмов, в то время как в мультиферроиках II типа сегнетоэлектричество обусловлено магнитным упорядочением.
Исследователи из Нанкинского университета науки и технологий недавно предсказали существование третьего типа мультиферроиков, который получил название мультиферроики III типа. В них магнетизм обусловлен сегнетоэлектричеством. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, может вдохновить будущие усилия, направленные на поиск материалов с описанными ими характеристиками, которые могут быть весьма полезными для развития спинтроники, а также других систем памяти и обработки информации.
«Наша недавняя работа направлена на изучение мультиферроидных материалов, которые позволяют электрически управлять магнетизмом», — сказал Чэнси Хуан, соавтор статьи, в интервью Phys.org. «Управление магнетизмом с помощью электрических полей имеет большой потенциал для создания недорогих и энергонезависимых устройств памяти».
Однако это остаётся серьёзной задачей, поскольку большинство материалов не проявляют достаточно сильного взаимодействия между своими магнитными и электрическими свойствами — явление, известное как магнитоэлектрический эффект. Мультиферроидные материалы, которые сочетают в себе как магнетизм, так и электрическую поляризацию (сегнетоэлектричество), предлагают возможное решение.
Надёжный контроль магнетизма в материалах с помощью электрических полей имеет решающее значение для развития высокоэффективной спинтроники. Несмотря на свой потенциал, два типа мультиферроиков, идентифицированные на данный момент, имеют существенные ограничения, которые делают их непрактичными для электрического управления магнетизмом в реальных устройствах.
Мультиферроики I типа имеют слабое магнитоэлектрическое взаимодействие, что означает, что они не могут эффективно связывать магнетизм и электрические поля. С другой стороны, мультиферроики II типа демонстрируют очень ограниченную электрическую поляризацию (то есть они не очень сильно разделяют заряды, даже находясь в сегнетоэлектрическом состоянии).
Чтобы способствовать развитию спинтронных устройств, Хуан и его коллеги начали исследовать существование других типов мультиферроиков. В рамках своего недавнего исследования они использовали современные вычислительные методы, основанные на теории функционала плотности, для изучения свойств мультиферроидных материалов.
«Мы теоретически предложили новый класс материалов, названный мультиферроиками III типа, где магнетизм напрямую управляется сегнетоэлектричеством, и выявили общий микроскопический механизм магнитоэлектрического взаимодействия», — пояснил Хуан. «Мультиферроики III типа потенциально могут предложить как сильный магнитоэлектрический эффект, так и значительную электрическую поляризацию, что делает их идеальными кандидатами для эффективного электрического управления магнетизмом».
Если их существование будет подтверждено, мультиферроики III типа могут сыграть ключевую роль в разработке запоминающих устройств и логических схем следующего поколения. На данный момент Хуан и его коллеги лишь показали, что они могут существовать теоретически согласно результатам расчётов, но их работа вскоре может вдохновить другие исследовательские группы на поиск материалов, демонстрирующих управляемый сегнетоэлектричеством магнетизм.
«В настоящее время экспериментальное подтверждение существования мультиферроиков III типа остаётся сложной задачей из-за отсутствия потенциальных кандидатов, поэтому первое, что мы планируем сделать, — это предоставить базу данных структур мультиферроиков III типа с помощью высокопроизводительных вычислений», — добавил Хуан.
«Помимо этого, существует множество важных и фундаментальных вопросов, которые заслуживают дальнейшего изучения в этой области, таких как температурная зависимость магнитоэлектрических свойств и их отклик на внешние электрические и магнитные поля. Мы будем работать над этим в наших будущих исследованиях».
© 2025 Science X Network
More from Atomic and Condensed Matter