Material som används i elektroniska enheter väljs vanligtvis för att de har antingen speciella magnetiska eller speciella elektriska egenskaper. Dock, ett internationellt team av forskare som använder neutronspridning identifierade nyligen ett sällsynt material som har båda.

I deras tidning publicerad i Avancerade material , laget, inklusive forskare från Department of Energy's (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), illustrerar hur detta unika äktenskap uppnås i det multiferroiska materialet BiMn3Cr4O12. Många material är kända för bara en karakteristisk magnetisk eller elektrisk egenskap, eller för att ha förmågan att ändra form, men multiferroics innehåller någon kombination av dessa attribut.

Multiferroics är vanligtvis indelade i två distinkta kategorier:konventionell (typ-1) och okonventionell (typ-2). Konventionella multiferroics styrs övervägande av elektricitet och uppvisar svag interaktion med magnetism. Omvänt, okonventionella multiferroics drivs av magnetism och uppvisar starka elektriska interaktioner.

"Vi har hittat ett intressant exempel på gemensamma multiferroicitet, vilket innebär att både konventionell och okonventionell multiferroicitet utvecklas efter varandra i samma material, " sa ORNL-forskaren Huibo Cao.

En anledning till att multiferroics är så önskvärda är att deras dubbla egenskaper kan styras i kombination med varandra, tillhandahåller, till exempel, elektriskt styrd magnetism eller magnetiskt styrda elektriska egenskaper. Forskare säger att en bättre förståelse för hur dessa multifunktionella material beter sig kan leda till betydande framsteg inom informationslagring och kraftprestanda i nya enheter.

Till exempel, material med den optimerade kombinationen av de båda multiferroiska mekanismerna skulle kunna användas som effektiva omkopplare, magnetfältssensorer, och minnesenheter.

"Med detta material, vi ser potentialen att nå utöver den typiska omfattningen av multiferroiska applikationer och göra en betydande inverkan på en mängd praktiska projekt, " sa Cao.

Dessa insikter kan också fungera som en grund för att hjälpa forskare att utveckla liknande material som innehåller denna blandning av egenskaper.

"Förekomsten av detta sällsynta material och förmågan att hitta andra som det ger en ny rad spännande möjligheter för framtida forskning och utveckling, " sa ORNL-forskaren Stuart Calder.

Neutroner är den mest lämpliga sonden för att studera magnetismen hos dessa material och ger en åtskillnad mellan de olika typerna av multiferroiskt beteende. Eftersom neutroner inte har någon laddning, de kan enkelt undersöka kristallstrukturens beteende i komplexa provmiljöer som tryckceller. På samma gång, de har spinn och förmågan att bete sig som magneter, vilket gör dem idealiska för att studera magnetism.

Genom att utsätta ett prov för varierande temperaturer, magnetiska/elektriska fält, och tryck, forskarna kan observera hur atomstrukturen och magnetiska egenskaper reagerar på miljöfaktorer och på varandra, som ytterligare skulle kunna styra utformningen av nya material.

Teamet utförde neutronspridningsmätningar vid ORNL:s High Flux Isotope Reactor (HFIR), en DOE Office of Science User Facility. Använda instrumentet Neutron Powder Diffractometer, HFIR strållinje HB-2A, de bestämde hur materialets magnetiska strukturer korrelerar med dess ferroelektriska polarisation, vilket är den lätta separationen mellan centra för positiv och negativ laddning i atomenheterna som utgör kristallstrukturen.

"Med neutroner, vi kan se hur dessa magnetiska strukturer är ordnade för att bättre förstå de olika typerna av multiferroics, "Sade Calder. "Vi börjar lösa några av mysterierna som omger dessa material."