Forskare från MIPT och deras kollegor från Ural Federal University har kombinerat optiska och akustiska metoder och funnit att inkorporering av titanatomer i bariumhexaferrit leder till att en oväntad understruktur bildas i kristallgittret. Det resulterande materialet är lovande för ultrasnabba datorminnestillämpningar. Fynden publicerades i Vetenskapliga rapporter .

En multiferroic är ett material som kännetecknas av mer än en typ av intern ordning. Till exempel, det kan uppvisa både ferroelektriska och ferromagnetiska egenskaper, beroende på temperatur. Detta innebär att materialet genomgår spontan polarisering i ett visst temperaturområde, och under en annan kritisk temperatur, det blir magnetiserat även i frånvaro av ett externt magnetfält.

Forskare studerar de grundläggande egenskaperna hos multiferroics för att skapa material med önskade egenskaper som kan ändras på ett kontrollerat sätt. Multiferroics är tillämpliga i ultrasnabba magnetiska minnesenheter, antireflekterande beläggningar, och snabb dataöverföring vid terahertz-frekvenser – dvs. inom biljondelar av en sekund.

Forskarna kombinerade optiska och akustiska metoder i ett experiment för att undersöka egenskaperna hos titandopad bariumhexaferrit. Studien kombinerade terahertz-spektroskopi med analys av ultraljudsvågsdämpning och hastighet, avslöjar ett ovanligt beteende hos materialet.

"Optik och akustik är som syn och hörsel genom att de kompletterar snarare än upprepar varandra. De två kanalerna ger tillsammans en mer fullständig förståelse av ett objekt, " sa Liudmila Alyabyeva, som övervakar multiferroicsforskning vid MIPT:s Terahertz Spectroscopy Lab. "När två mycket olika experimentella tekniker visar att vissa fenomen inträffar vid en viss temperatur, det är en stark indikation på att något händer i provet på mikroskopisk nivå. Så vi måste identifiera mekanismen bakom dessa effekter."

Forskarna hittade ett sätt att förklara både de ovanliga optiska egenskaperna hos materialet och de akustiska. Det visade sig att genom att införliva titan i bariumhexaferrit, järnundergittret i materialet påverkas. Närvaron av de främmande atomerna gör att några av järnatomerna ändrar sitt oxidationstillstånd och bildar det som är känt som Jahn-Teller-subgitteret - en sekundär struktur inom materialets kristallgitter.

När främmande atomer sätts in i gittret av en kristall, de ersätter några av värdatomerna. När det gäller bariumhexaferrit, titan ersätter en del av järnet. Dock, det som skiljer de två elementen är att järn har en valens på tre i hexaferrit, och titan är fyrvärdigt. Detta innebär att jonerna av dessa två metaller i kristallen skiljer sig åt i storlek och elektrisk laddning.

"När en trevärd järnjon ersätts av den mindre fyrvärda titanjonen, detta förvränger gallret och bryter mot den elektriska neutraliteten. Men den elektriska neutraliteten måste bestå på något sätt, det är en grundläggande regel, " förklarade Boris Gorshunov, som leder Terahertz Spectroscopy Lab vid MIPT. "Som ett resultat blir några av de närliggande järnatomerna tvåvärda för att kompensera laddningen av titanjonerna." Dessa strukturella förändringar är orsaken till materialets ovanliga optiska och akustiska egenskaper som observerats av teamet.

"Vår studie är den första som lyfter fram en ny mekanism som ger upphov till ett subgitter av Jahn-Teller-centra. Istället för att bildas av föroreningsatomer, som normalt är fallet, subgitteret består av några av värdkristallatomerna, " sa Ural Federal University Professor Vladimir Gudkov.

Uppkomsten av Jahn-Teller-undergittret i kristallen leder till ovanliga och potentiellt värdefulla egenskaper. Till exempel, de magnetiska delsystemen som uppstår i materialet kan användas i ultrasnabbt datorminne, ommagnetiseras av terahertzstrålning, även känd som T-vågor.