Основные отрасли, такие как современная микроэлектроника, основаны на взаимодействии материи и электромагнетизма. Электромагнитные сигналы можно обрабатывать и хранить в специально изготовленных материалах. В материаловедении электрические и магнитные эффекты обычно изучаются отдельно. Однако существуют необычные материалы, называемые «мультиферроиками», в которых электрические и магнитные возбуждения тесно связаны.
Ученые Венского технологического университета (TU Wien) в ходе эксперимента показали, что на магнитные свойства и возбуждение может влиять электрическое напряжение. Это открывает совершенно новые возможности для электроники на высоких частотах.Лучшее из двух миров
Давно известно, что электричество и магнетизм — две стороны одной медали. Волны в свободном пространстве, такие как видимый свет или излучение мобильного телефона, всегда состоят как из электрического, так и из магнитного компонентов.
Однако когда дело доходит до свойств материалов, электричество и магнетизм рассматриваются как отдельные темы. Есть материалы с магнитным упорядочением, которые реагируют на магнитные поля, а есть материалы с электрическим упорядочением, на которые могут влиять электрические поля.У магнита есть магнитное поле, но нет электрического поля. В пьезоэлектрическом кристалле, с другой стороны, могут создаваться электрические поля, но не магнитные поля.
И то и другое одновременно казалось невозможным. «Обычно оба эффекта создаются по-разному, — говорит профессор Андрей Пименов (Венский технический университет). «Магнитное упорядочение происходит от электронов, выравнивающих свои магнитные моменты, электрическое упорядочение происходит от положительных и отрицательных зарядов, движущихся друг относительно друга».Электромагноны
В 2006 году Андрей Пименов (работая в Аугсбургском университете) обнаружил доказательства возбуждений, основанных как на электрическом, так и на магнитном упорядочении. Эти возбуждения, получившие название «электромагноны», с тех пор горячо обсуждаются материаловедами.
Теперь Пименову и его команде удалось включать и выключать такие возбуждения электрическим полем в специальном материале из диспрозия, марганца и кислорода (DyMnO3). В этом материале многие электроны выравнивают свои магнитные моменты при низких температурах.
Каждый электрон имеет магнитное направление, которое немного искажено относительно соседнего электрона, поэтому электроны создают спираль магнитных моментов. Спираль имеет две возможные ориентации — по часовой стрелке или против часовой стрелки — и, что удивительно, внешнее электрическое поле может переключаться между этими двумя возможностями.Вибрирующие атомы, колеблющиеся моменты
В магнитоэлектрических материалах заряды и магнитные моменты атомов связаны. В оксиде диспрозия-марганца эта связь особенно сильна: «Когда колеблются магнитные моменты, перемещаются и электрические заряды», — говорит Андрей Пименов.
В этом материале магнитные моменты и электрические заряды одновременно играют роль в возбуждении, и, следовательно, оба могут находиться под влиянием одного единственного внешнего поля.Эффект можно продемонстрировать, пропустив терагерцовое излучение через материал: поляризация терагерцового луча изменяется, если мультиферроидный материал демонстрирует магнитное упорядочение. Если магнитная спираль в материале может переключаться с помощью электрического поля, это электрическое поле в конечном итоге определяет, вращается ли поляризация терагерцового луча.
Есть много идей для будущих приложений: везде, где желательно объединить соответствующие преимущества магнитных и электрических эффектов, новые магнитоэлектрические материалы могут быть использованы в будущем. Это может привести к появлению новых типов усилителей, транзисторов или устройств хранения данных.
Кроме того, высокочувствительные датчики могут быть построены с использованием электромагнонной технологии.