Genom att ricocheting neutroner från yttrium manganit atomer (YMnO ₃ ) uppvärmd till 3, 000 grader Fahrenheit, forskare har upptäckt de atomiska mekanismer som ger det ovanliga materialet dess sällsynta elektromagnetiska egenskaper. Upptäckten kan hjälpa forskare att utveckla nya material med liknande egenskaper för nya datoranordningar och mikroaktuatorer.

Experimentet genomfördes som ett samarbete mellan Duke University och Oak Ridge National Laboratory (ORNL) och visades online i Naturkommunikation den 2 januari, 2018.

Ferromagnetism är den vetenskapliga termen för fenomenet som är ansvarigt för permanenta magneter som järn. Sådana material finns eftersom deras molekylära struktur består av små magnetiska fläckar som alla pekar i samma riktning. Varje lapp, eller domän, sägs ha ett magnetiskt dipolmoment, med en nord- och en sydpol, som, läggs ihop, producerar magnetfält som så ofta ses vid arbete på kylskåpsdörrar.

Ferroelektricitet är en liknande egenskap, men mer sällsynt och svårare att förstå. På ungefär samma sätt som en permanent magnet, ett ferroelektriskt material består av domäner med elektriska dipolmoment i linje med varandra. Detta ger ett naturligt förekommande permanent elektriskt fält, som en samling mikroskopiska ballonger med en långvarig laddning av statisk elektricitet.

Yttrium manganit är ett av få material som kombinerar både ferroelektrisk egenskap och magnetisk beställning vid extremt kalla temperaturer. Denna sällsynta kombination presenterar den intressanta möjligheten att kontrollera materialets magnetiska egenskaper med elektricitet och vice versa. Att utnyttja denna förmåga kan låta forskare skapa mer effektiva datorer baserade på fyrsiffriga tillstånd snarare än bara dagens 1:or och 0:or genom att vända både elektriska och magnetiska tillstånd, liksom nya typer av sensorer och energiomvandlare.

"Dessa så kallade multi-ferroiska material är mycket sällsynta, "sa Olivier Delaire, docent i maskinteknik och materialvetenskap och fysik vid Duke. "Men om vi kan förstå mekanismerna för vad som händer på atomnivå, vi har en större chans att designa och upptäcka fler material som möjliggör ny teknik. "

Eftersom yttrium manganits ferroelektriska beteende bara stängs av över 3000 grader Fahrenheit, forskare har aldrig kunnat undersöka atomvibrationerna som ger önskat arrangemang av mikroskopiska elektriska dipoler. Medan den molekylära grunden för yttrium manganit ferroelektriska egenskaper har teoretiserats, det har aldrig funnits direkta mätningar för att bevisa dem.

För att avgöra hur fastigheten uppstår, forskare måste undersöka de vågliknande vibrationerna vid stapling av atomer i materialet, som oscillerar vid frekvenser över tusen miljarder gånger per sekund. De måste också göra detta både över och under den 3000 graders ferroelektriska omkopplingstemperaturen, vilket är en hög uppgift, minst sagt. Men det är precis vad forskarna gjorde.

"Det var utmanande att mäta atomoscillationerna över 3000 Fahrenheit, "sa Dipanshu Bansal, en postdoktor i forskargruppen Delaire vid Duke och huvudförfattaren till studien. "Det krävde högintensiva neutronstrålar, speciella högtemperaturmaterial och en ugn med kontrollerad atmosfär som värmer provet i luften för att undvika att sönderdela provet, som annars skulle hända i en mer standard vakuumugn. "

Experimenten innebar att skjuta det extremt heta provet av yttrium manganit med neutroner. Genom att upptäcka var neutronerna hamnade efter att ha kolliderat med provets atomer, forskarna kunde avgöra var atomerna var och hur de kollektivt pendlade. Det finns väldigt få platser i världen som har sådana möjligheter, och Oak Ridge National Laboratory, några timmars bilresa från Duke, råkar vara värd för både High-Flux Isotope Reactor och Spallation Neutron Source, den kraftfullaste källan till neutronstrålar i världen.

Forskarna undersökte materialet med hjälp av neutroner vid olika energier och våglängder, ger en övergripande bild av dess atombeteenden. De fann att över övergångstemperaturen, en viss grupp atomer var fria att röra sig och vibrerade tillsammans på ett visst sätt. Men när materialet svalnade och skiftade faser, dessa atomer frös in i det permanenta kristallina arrangemanget som är ansvarigt för de ferroelektriska egenskaperna.

Och för att bekräfta neutronresultaten, forskarna använde också de ultralätta röntgenstrålarna vid Advanced Photon Source vid Argonne National Laboratory och utförde storskaliga kvantsimuleringar av atombeteende med superdatorer från National Energy Research Scientific Computing Center vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Detta material har aldrig tidigare förståtts på en så fin atomistisk nivå, "sa Bansal och Delaire." Vi har haft teorier om vikten av atomoscillationer, men det är första gången vi har bekräftat dem direkt. Våra experimentella resultat gör det möjligt för forskare att förfina teorier och skapa bättre modeller av dessa material så att vi kan designa ännu bättre i framtiden. "