Ferromagnetiska material har ett självgenererande magnetfält, ferroelektriska material genererar sitt eget elektriska fält. Även om elektriska och magnetiska fält är relaterade, säger fysiken oss att de är väldigt olika materialklasser. Nu antyder upptäckten av University of Warwick-ledda forskare av ett komplext elektriskt "virvelliknande" mönster som speglar dess magnetiska motsvarighet att de faktiskt kan vara två sidor av samma mynt.

Detaljerad i en ny studie för tidskriften Nature, finansierat av Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), en del av UK Research and Innovation, och Royal Society, ger resultaten det första beviset på en process i ferroelektriska material jämförbar med Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen i ferromagneter. Denna speciella interaktion spelar en avgörande roll för att stabilisera topologiska magnetiska strukturer, såsom skyrmioner, och det kan vara avgörande för potentiella nya elektroniska teknologier som utnyttjar deras elektriska analoger.

Bulk ferroelektriska kristaller har använts i många år i en rad olika teknologier inklusive ekolod, ljudgivare och ställdon. Alla dessa teknologier utnyttjar de inneboende elektriska dipolerna och deras inbördes samband mellan materialets kristallstruktur och applicerade fält.

För denna studie skapade forskarna en tunn film av det ferroelektriska blytitanatet inklämt mellan lager av ferromagnetens strontiumrutenat, vart och ett cirka 4 nanometer tjockt – bara dubbelt så tjockt som en enkel DNA-sträng.

Medan atomerna i de två materialen bildar en enda kontinuerlig kristallstruktur, i det ferroelektriska blytitanatskiktet skulle den elektriska polariseringen normalt bilda flera "domäner", som en bikaka. Dessa domäner kan endast observeras med hjälp av den senaste transmissionselektronmikroskopi och röntgenspridning.

Men när University of Warwick-teamet undersökte strukturen hos de kombinerade lagren såg de att domänerna i blytitanatet var en komplex topologisk struktur av virvellinjer som snurrade växelvis i olika riktningar.

Nästan identiskt beteende har också setts i ferromagneter där det är känt att det genereras av Dzyaloshinskii–Moriya-interaktionen (DMi).

Huvudförfattaren professor Marin Alexe vid University of Warwick Institutionen för fysik sa:"Om du tittar på hur dessa egenskaper skalas ner, blir skillnaden mellan ferromagnetism och ferroelektricitet mindre och mindre viktig. Det kan vara att de kommer att smälta samman någon gång i ett. unikt material. Detta kan vara artificiellt och kombinera mycket små ferromagneter och ferroelektrik för att dra fördel av dessa topologiska egenskaper. Det är mycket tydligt för mig att vi är på toppen av isberget när det gäller vart den här forskningen ska gå."

Medförfattaren Dorin Rusu, en doktorand vid University of Warwick, sa:"Att inse att i ferroelektrik dipolära texturer som i en sådan grad efterliknar deras magnetiska motsvarighet säkerställer ytterligare forskning om den grundläggande fysiken som driver sådana likheter. Detta resultat är inte en trivial sak när man betänker skillnaden i ursprung och styrka hos de elektriska och magnetiska fälten."

Förekomsten av dessa virvlar hade tidigare teoretiserats, men det krävdes användning av banbrytande transmissionselektronmikroskop vid University of Warwick, såväl som användningen av synkrotroner vid fyra andra anläggningar, för att exakt observera dem. Dessa tekniker gjorde det möjligt för forskarna att mäta positionen för varje atom med en hög grad av säkerhet.

Medförfattaren professor Ana Sanchez sa:"Elektronmikroskopi är en spelförändrande teknik för att förstå dessa topologiska strukturer. Det är nyckelverktyget för att avslöja ins och outs av dessa nya material, genom att använda en subatomär stråle av elektroner för att generera bilder av interna struktur."

Medförfattare professor Thomas Hase tillade:"Att få tillgång till avancerade anläggningar i Storbritannien, Europa och USA har varit avgörande för just denna forskning." + Utforska vidare

Sök efter skyrmion-fenomen hittar ännu konstigare magnetiskt pärlhalsband