Multiferoické materiály by mohly být užitečné pro řadu aplikací včetně počítačových pamětí, chemických senzorů a kvantových výpočetních systémů. Vědci z Texaské univerzity v Austinu a Institutu Maxe Plancka pro strukturu a dynamiku hmoty nyní prokázali, že vrstevnatý multiferoický jodid nikelnatý (NiI2) je zatím nejlepším kandidátem na zařízení, která jsou extrémně rychlá a kompaktní.
Multiferoické materiály se vyznačují tzv. magnetoelektrickou vazbou, což znamená, že s magnetickými vlastnostmi materiálu lze manipulovat pomocí elektrického pole a naopak s jeho elektrickými vlastnostmi pomocí pole magnetického. Autoři nové studie zjistili, že NiI2 v podobě atomárně tenkých vloček má větší magnetoelektrickou vazbu než jakýkoli jiný známý materiál, což by mohlo umožnit řadu technologických inovací.
„Náš objev otevírá cestu k extrémně rychlým a energeticky účinným magnetoelektrickým zařízením, včetně magnetických pamětí,“ uvádí spoluautorka studie Xinyue Peng z z Texaské univerzity v Austinu.
Uvnitř materiálu se elektrické náboje i magnetické momenty mohou uspořádat tak, že se jejich vlastnosti sčítají a vytvářejí elektrickou polarizaci nebo magnetizaci. To jsou feroelektrika nebo feromagnety – podle toho, která z těchto veličin je v uspořádaném stavu. V multifeorických materiálech však elektrické a magnetické uspořádání existuje současně. Magnetické a elektrické uspořádání mohou být navíc provázána takovým způsobem, že změna jednoho způsobí změnu druhého.
Tato vlastnost, známá jako magnetoelektrická vazba, činí z těchto materiálů atraktivní kandidáty na rychlejší, miniaturizovanější a energetický účinnější zařízení. Aby taková zařízení fungovala efektivně, je důležité najít materiály s obzvláště silnou magnetoelektrickou vazbou, jak to v nové studii popisuje výzkumný tým u NiI2. Vědci toho dosáhli tak, že materiál excitovali ultrakrátkými laserovými pulzy v rozsahu femtosekund a následně sledovali výsledné změny elektrických a magnetických uspořádání materiálu a magnetoelektrické vazby prostřednictvím jejich vlivu na specifické optické vlastnosti.
Dalším cílem bylo pochopit, proč je magnetoelektrická vazba v NiI2 mnohem silnější než v jiných obdobných materiálech. „Důležitou roli zde hrají dva faktory,“ říká spoluautor studie Emil Viñas Boström z Institutu Maxe Plancka. „Jedním z nich je silná vazba mezi spinem a orbitálním pohybem elektronů v atomech jódu – to je relativistický efekt známý jako spin-orbitální vazba. Druhým faktorem je zvláštní forma magnetického uspořádání v jodidu niklu, tzv. spinová spirála nebo spinová šroubovice (spin spiral, spin helix). Toto uspořádání je rozhodující jak pro iniciaci feroelektrického uspořádání, tak pro sílu magnetoelektrické vazby.“
Příslušné poznatky by mohly umožnit jak další optimalizaci jodidu nikelnatého, tak i hledání jiných sloučenin s obdobnými vlastnostmi.
Edoardo Baldini, Giant chiral magnetoelectric oscillations in a van der Waals multiferroic, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07678-5. www.nature.com/articles/s41586-024-07678-5
Zdroj: University of Texas at Austin / Phys.org, přeloženo, zkráceno
