Elektricitet och magnetism är nära besläktade:Kraftledningar genererar ett magnetfält, roterande magneter i en generator producerar elektricitet. Dock, Fenomenet är mycket mer komplicerat:elektriska och magnetiska egenskaper hos vissa material är också kopplade till varandra. Elektriska egenskaper hos vissa kristaller kan påverkas av magnetfält - och vice versa. I detta fall talar man om en "magnetoelektrisk effekt". Det spelar en viktig teknisk roll, till exempel i vissa typer av sensorer eller i sökandet efter nya koncept för datalagring.

Ett speciellt material undersöktes för vilket, vid första ögonkastet, ingen magnetoelektrisk effekt kan förväntas alls. Men noggranna experiment har nu visat att effekten kan observeras i detta material, det fungerar bara helt annorlunda än vanligt. Det kan styras på ett mycket känsligt sätt:Även små förändringar i magnetfältets riktning kan ändra materialets elektriska egenskaper till ett helt annat tillstånd.

Symmetri styr kopplingen

"Om de elektriska och magnetiska egenskaperna hos en kristall är kopplade eller inte beror på kristallens inre symmetri, " säger Prof. Andrei Pimenov från Institutet för fasta tillståndets fysik vid TU Wien. "Om kristallen har en hög grad av symmetri, till exempel, om ena sidan av kristallen är exakt spegelbilden av den andra sidan, då kan det av teoretiska skäl inte finnas någon magnetoelektrisk effekt."

Detta gäller kristallen, som nu har undersökts i detalj — en så kallad langasit gjord av lantan, gallium, kisel och syre, dopad med holmiumatomer. "Kristallstrukturen är så symmetrisk att den faktiskt inte borde tillåta någon magnetoelektrisk effekt. Och i fallet med svaga magnetfält finns det verkligen ingen som helst koppling till kristallens elektriska egenskaper, " säger Andrei Pimenov. "Men om vi ökar styrkan på magnetfältet, något anmärkningsvärt händer:Holmiumatomerna ändrar sitt kvanttillstånd och får ett magnetiskt moment. Detta bryter kristallens inre symmetri."

Ur en rent geometrisk synvinkel, kristallen är fortfarande symmetrisk, men atomernas magnetism måste också beaktas, och det är detta som bryter symmetrin. Därför kan den elektriska polariseringen av kristallen ändras med ett magnetfält. "Polarisering är när de positiva och negativa laddningarna i kristallen förskjuts lite, med hänsyn till varandra, " förklarar Pimenov. "Detta skulle vara lätt att uppnå med ett elektriskt fält - men på grund av den magnetoelektriska effekten, detta är också möjligt med hjälp av ett magnetfält."

Det är inte styrkan, det är riktningen

Ju starkare magnetfältet är, desto starkare är dess effekt på elektrisk polarisering. "Förhållandet mellan polarisation och magnetfältstyrka är ungefär linjärt, vilket inte är något ovanligt, " säger Andrei Pimenov. "Vad är anmärkningsvärt, dock, är att förhållandet mellan polarisation och magnetfältets riktning är starkt icke-linjärt. Om du ändrar riktningen på magnetfältet lite, polariseringen kan helt tippa över. Detta är en ny form av den magnetoelektriska effekten, som inte var känt tidigare." Så en liten rotation kan avgöra om magnetfältet kan ändra den elektriska polariseringen av kristallen eller inte.

Möjlighet till ny lagringsteknik

"Den magnetoelektriska effekten kommer att spela en allt viktigare roll för olika tekniska tillämpningar, " säger Andrei Pimenov. "I ett nästa steg, vi kommer att försöka ändra magnetiska egenskaper med ett elektriskt fält istället för att ändra elektriska egenskaper med ett magnetfält. I princip, detta borde vara möjligt på exakt samma sätt."

Om detta lyckas, det skulle vara ett lovande nytt sätt att lagra data i fasta ämnen. "I magnetiska minnen som datorhårddiskar, magnetiska fält behövs idag, " Pimenov förklarar. "De genereras med magnetiska spolar, vilket kräver relativt mycket energi och tid. Om det fanns ett direkt sätt att byta magnetiska egenskaper hos ett halvledarminne med ett elektriskt fält, det här skulle vara ett genombrott."