Forskare har framgångsrikt visat att hypotetiska partiklar som föreslogs av Franz Preisach 1935 faktiskt existerar. I en artikel publicerad i Naturkommunikation , forskare från universiteten i Linköping och Eindhoven visar varför ferroelektriska material fungerar som de gör.

Ferroelektricitet är den mindre kända tvillingen av ferromagnetism. Järn, kobolt och nickel är exempel på vanliga ferromagnetiska material. Elektronerna i sådana material fungerar som små magneter, dipoler, med en nordpol och en sydpol. I en ferroelektrisk, dipolerna är elektriska snarare än magnetiska, och har en positiv och negativ pol.

I frånvaro av ett applicerat magnetiskt (för en ferromagnet) eller elektriskt (för ett ferroelektriskt) fält, orienteringen av dipolerna är slumpmässig. När ett tillräckligt starkt fält appliceras, dipolerna är i linje med den. Detta fält är känt som det kritiska (eller tvångs-) fältet. Förvånande, i ett ferroiskt material, justeringen kvarstår när fältet tas bort, och materialet är permanent polariserat. För att ändra riktningen på polarisationen, ett fält som är minst lika starkt som det kritiska fältet måste appliceras i motsatt riktning. Denna effekt är känd som hysteres - materialets beteende beror på vad som tidigare har hänt med det. Hysteres gör dessa material mycket lämpliga som omskrivbart minne, till exempel, på hårddiskar.

I ett idealiskt ferroelektriskt material, hela stycket växlar sin polarisering när det kritiska fältet nås och det gör det med en väldefinierad hastighet. I riktiga ferroelektriska material, olika delar av materialet byter polarisation vid olika kritiska fält, och i olika hastigheter. Att förstå denna icke-idealitet är nyckeln till tillämpning i datorns minne.

En modell för ferroelektricitet och ferromagnetism utvecklades av den tyske forskaren Franz Preisach redan 1935. Den rent matematiska Preisach-modellen beskriver ferroiska material som en stor samling av små, oberoende moduler som kallas hysteroner. Varje hysteron visar idealiskt ferroiskt beteende, men har ett eget kritiskt fält som kan skilja sig från hysteron till hysteron. Det har varit allmänt överens om att modellen ger en korrekt beskrivning av verkliga material, men forskare har inte förstått fysiken som modellen bygger på. Vad är hysteronerna? Varför skiljer sig deras kritiska områden som de gör? Med andra ord, varför fungerar ferroelektriska material som de gör?

Professor Martijn Kemerinks forskargrupp (Complex Materials and Devices vid LiU), i samarbete med forskare vid universitetet i Eindhoven, har nu studerat två organiska ferroelektriska modellsystem och hittat förklaringen. Molekylerna i de studerade organiska ferroelektriska materialen gillar att ligga ovanpå varandra, bildar cylindriska staplar på omkring en nanometer breda och flera nanometer långa.

"Vi skulle kunna bevisa att dessa stackar faktiskt är de eftertraktade hysteronerna. Tricket är att de har olika storlekar och interagerar starkt med varandra eftersom de är så tätt packade. Förutom sin egen unika storlek, varje stack känns därför en annan miljö av andra stackar, som förklarar Preisach-fördelningen, säger Martijn Kemerink.

Forskarna har visat att den icke-ideala omkopplingen av ett ferroelektriskt material beror på dess nanostruktur - i synnerhet, hur många stackar interagerar med varandra, och detaljerna om hur de gör detta.

"Vi var tvungna att utveckla nya metoder för att mäta växlingen av enskilda hysteroner för att testa våra idéer. Nu när vi har visat hur molekylerna interagerar med varandra på nanometerskalan, vi kan förutsäga formen på hystereskurvan. Detta förklarar också varför fenomenet fungerar som det gör. Vi har visat hur hysteronfördelningen uppstår i två specifika organiska ferroelektriska material, men det är ganska troligt att detta är ett allmänt fenomen. Jag är oerhört stolt över mina doktorander, Indre Urbanaviciute och Tim Cornelissen, som har lyckats åstadkomma detta, säger Martijn Kemerink.

Resultaten kan styra utformningen av material för nya, så kallade multi-bit minnen, och är ytterligare ett steg på vägen till framtidens små och flexibla minnen.