Два года назад исследователи в лабораториях Даррелла Шлома, профессора промышленной химии Герберта Фиска Джонсона на факультете материаловедения и инженерии, и Дэна Ральфа, F.R. Ньюман, профессор Колледжа искусств и наук в сотрудничестве с профессором Рамамурти Рамешем из Калифорнийского университета в Беркли, опубликовал статью, в которой объявляет о прорыве в мультиферроиках с участием единственного известного материала, в котором магнетизм можно контролировать, прикладывая электрическое поле при комнатной температуре: мультиферроика. феррит висмута.
Группа Шлома объединилась с профессорами прикладной и инженерной физики Дэвидом Мюллером и Крейгом Фенни, чтобы продвинуться дальше в этом исследовании: исследователи объединили два немультиферроидных материала, используя лучшие свойства обоих, чтобы создать новый мультиферроик, работающий при комнатной температуре. .Их статья «Слои ферроиков, полученные атомной инженерией, дают магнитоэлектрический мультиферроик при комнатной температуре», была опубликована вместе с сопутствующими новостями. Материал Views — 22 сентября в Nature. Ведущие авторы — Джулия Манди, доктор философии. ’14, бывший докторант, работающий вместе с Мюллером и Шломом, ныне научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли; Чарльз Брукс, доктор философии, приглашенный ученый в группе Шлома; и Меган Хольц, докторант группы Мюллера.
Группа разработала тонкие пленки из гексагонального оксида железа лютеция (LuFeO3), материала, известного как прочный сегнетоэлектрик, но не сильно магнитный. LuFeO3 состоит из чередующихся одинарных монослоев оксида лютеция и оксида железа и отличается от сильного ферримагнитного оксида (LuFe2O4), который состоит из чередующихся монослоев оксида лютеция с двойными монослоями оксида железа.
Однако исследователи обнаружили, что они могут объединить эти два материала в атомном масштабе, чтобы создать новое соединение, которое было бы не только мультиферроиком, но и обладало бы лучшими свойствами, чем любой из отдельных компонентов. В частности, они обнаружили, что им нужно добавлять всего один дополнительный монослой оксида железа к каждые 10 атомных повторов LuFeO3, чтобы резко изменить свойства системы.Эта прецизионная инженерия была выполнена с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ), специализации лаборатории Шлома. Методика, которую Шлом сравнивает с «окраской атомным распылением», позволила исследователям спроектировать и собрать два разных материала слоями, по одному атому за раз.
Комбинация этих двух материалов дает сильно ферримагнитный слой около комнатной температуры. Затем они протестировали новый материал в усовершенствованном источнике света Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL) в сотрудничестве с соавтором Рамешем, чтобы показать, что ферримагнитные атомы следуют выравниванию своих сегнетоэлектрических соседей при переключении электрическим полем.«Когда наши сотрудники из LBNL продемонстрировали электрический контроль магнетизма в материале, который мы создали, все стало супер захватывающим», — сказал Шлом. «Мультиферроики, работающие при комнатной температуре, чрезвычайно редки, и только те мультиферроики, которые позволяют электрическое управление магнетизмом, применимы к приложениям».В электронных устройствах преимущества мультиферроиков включают их обратимую поляризацию в ответ на электрические поля малой мощности — в отличие от тепловыделения и энергозатратных электрических токов — и их способность сохранять свое поляризованное состояние без необходимости постоянного питания. . В высокопроизводительных микросхемах памяти используются сегнетоэлектрические или ферромагнитные материалы.
«Наша работа показывает, что в этом новом материале задействован совершенно другой механизм, — сказал Шлом, — что дает нам надежду на еще лучшие — более высокотемпературные и более прочные — мультиферроики в будущем».