Magnetisk vektorkarta (50 µm synfält) som beskriver magnetiseringen av en Ni-film samtidigt som 50 V appliceras över det ferroelektriska substratet av PMN-PT. Färghjulet identifierar magnetiseringsriktningen. Gult och brunt betecknar regioner vars magnetisering var opåverkad av spänningen. Kredit:Diamond Light Source
Den höga upplösningen och mängden data som tillhandahålls av ett experiment på Diamond kan leda till oväntade upptäckter. De piezoelektriska egenskaperna hos den keramiska perovskiten PMN-PT (0,68Pb(Mg) 1 /3Nb 2 /3)O 3 –0,32PbTiO 3 ) används ofta i kommersiella ställdon, där töjningen som genereras varierar kontinuerligt med pålagd spänning. Dock, om den pålagda spänningen cyklas på lämpligt sätt så finns det diskontinuerliga förändringar av töjningen. Dessa diskontinuerliga förändringar kan användas för att driva magnetisk omkoppling i en tunn överliggande ferromagnet, tillåter magnetisk information att skrivas elektriskt. Ett internationellt team av forskare använde strållinjen I06 för att undersöka en ferromagnetisk film av nickel när den fungerade som en känslig töjningsmätare för enkristall PMN-PT. Deras första tolkning av resultaten antydde att omkoppling av ferroelektriska domäner roterade de magnetiska domänerna i filmen med den förväntade vinkeln på 90°, men en närmare undersökning visade att den sanna bilden var mer komplex.
Deras arbete, nyligen publicerad i Naturmaterial , visar att den ferroelektriska domänomkopplingen roterade de magnetiska domänerna i filmen med avsevärt mindre än 90° på grund av en åtföljande skjuvtöjning. Resultaten erbjuder både en utmaning och en möjlighet för design av nästa generations datalagringsenheter, och kommer säkert att vara relevant om arbetet utökas för att utforska den elektriskt drivna manipulationen av mer komplexa magnetiska texturer.
Vissa fasta material utvecklar elektrisk laddning som svar på en applicerad mekanisk påfrestning. Denna piezoelektriska effekt innebär att vissa kristaller kan användas för att omvandla mekanisk energi till elektricitet eller vice versa, och piezoelektriska material används i en mängd olika tekniker, inklusive automatisk fokusering av kameror i mobiltelefoner. För dessa applikationer, töjningen varierar kontinuerligt med pålagd spänning, men cykling av den applicerade spänningen kan leda till diskontinuerliga förändringar av töjningen på grund av ferroelektrisk domänomkoppling. Dessa diskontinuerliga förändringar i töjningen kan användas för att driva magnetisk omkoppling i en tunn ferromagmentfilm, så att data kan skrivas elektriskt, och lagras magnetiskt.
När ett internationellt team av forskare kom till Diamond för att undersöka denna effekt, de använde fotoemissionselektronmikroskopi (PEEM) kombinerat med röntgencirkulär magnetisk dikroism (XMCD) för att ge magnetisk kontrast. De använde en ferromagnetisk film av nickel som en känslig töjningsmätare för enkristall PMN-PT, samtidigt som spänningen varieras över kristallen. Mikroskopiska mätningar involverade att kombinera två XMCD-PEEM-bilder för att bilda en magnetisk vektorkarta.
Vid första ögonkastet, dessa mikroskopiska mätningar visade vad teamet förväntade sig att se – magnetiska domäner som till synes roterade med 90° på grund av ferroelektrisk domänbyte. Makroskopiska magnetiska mätningar som gjordes med hjälp av vibrerande provmagnetometri ledde till samma slutsats. Dock, högupplösta data från Diamond erbjöd möjligheten att gräva lite djupare.
För professor Neil Mathur vid University of Cambridge, att ta en närmare titt verkade självklart. "Datan gjorde det möjligt för oss att göra en pixel-för-pixel-jämförelse av bilderna, och jag kände att vi borde göra det, helt enkelt för att vi kunde."
Oväntat, pixel-för-pixel-jämförelsen avslöjade att de magnetiska växlingsvinklarna vanligtvis låg långt under 90°. Detta kan lätt förklaras genom att inkludera en skjuvkomponent, förutspått från PMN-PT-enhetscellgeometrin.
Det verkar som om forskare har överförenklat den magnetoelektriska responsen hos PMN-PT-baserade heterostrukturer i flera år, men det är lätt att förstå varför. Makroskopiska mätningar är medelvärde för magnetiska domänrotationer både medurs och moturs, upphäver den magnetiska signaturen för skjuvkomponenterna. Analys av mikroskopiska mätningar utförs normalt med ett färghjul, vilket gör det enkelt att se om magnetiska domäner är orienterade upp/ner eller höger/vänster, men varje färg som vi uppfattar täcker ett brett spektrum av vinklar, maskera sanningen.
Utmaningar och möjligheter
Detta nya fynd bör kunna tillämpas på liknande material, och erbjuder både en utmaning och en möjlighet för utveckling och miniatyrisering av enheter baserade på magnetoelektriska material.
Professor Mathur förklarar:"Vårt fynd betyder att dessa system kommer att bete sig annorlunda än vad man ursprungligen skulle ha förväntat sig efter miniatyrisering. Detta kommer att vara en utmaning för enhetsdesigners, men det finns också en enorm möjlighet här, eftersom det betyder att två uppsättningar data kan skrivas till samma enhet med magnetiska och elektriska fält, vilket fördubblar lagringstätheten."
I framtiden, Professor Mathur tror att det kommer att bli normalt att överväga skjuvtöjningen som uppstår när lågsymmetriska ferroelektriska domäner genomgår omkoppling.
Teamet fortsätter nu sitt arbete genom att titta på mer komplexa magnetiska texturer, som skyrmioner. De vill undersöka hur dessa komplexa föremål kan förstöras, skapad och modifierad av elektriskt driven påkänning, och om de kan skapa magnetiska texturer som helt enkelt inte har setts tidigare.
