Multiferroics

Multiferroics definieras som material som uppvisar mer än en av de primära ferroiska egenskaperna i samma fas:

ferromagnetism – en magnetisering som är omkopplingsbar med ett applicerat magnetfält
ferroelektricitet – en elektrisk polarisation som är omkopplingsbar av ett pålagt elektriskt fält
ferroelasticitet – en deformation som är omkopplingsbar genom en applicerad påkänning

Medan ferroelektrisk ferrolastik och ferromagnetisk ferrolastik formellt är multiferroisk, används termen idag vanligtvis för att beskriva den magnetoelektriska multiferroiken som samtidigt är ferromagnetisk och ferroelektrisk. Ibland utökas definitionen till att inkludera parametrar av icke-primär ordning, såsom antiferromagnetism eller ferrimagnetism . Dessutom har andra typer av primär ordning, såsom ferroiska arrangemang av magnetoelektriska multipoler, på vilka ferrotoroidicitet är ett exempel, också nyligen föreslagits.

Förutom vetenskapligt intresse för deras fysikaliska egenskaper har multiferroics potential för tillämpningar som ställdon, switchar, magnetfältssensorer och nya typer av elektroniska minnesenheter.

Historia

Multiferroics historia: antal papper per år om magnetoelektrisk eller magnetoelektrisk effekt (i blått) och om multiferroics (i rött)

En Web of Science- sökning efter termen multiferroic ger uppsatsen år 2000 "Varför finns det så få magnetiska ferroelektriska komponenter?" från NA Spaldin (då Hill) som det tidigaste resultatet. Detta arbete förklarade ursprunget till kontraindikationen mellan magnetism och ferroelektricitet och föreslog praktiska vägar för att kringgå den, och är allmänt krediterad för att starta den moderna explosionen av intresse för multiferroiska material. Tillgången på praktiska vägar för att skapa multiferroiska material från 2000 stimulerade intensiv aktivitet. Särskilt viktiga tidiga arbeten var upptäckten av stor ferroelektrisk polarisation i epitaxiellt odlade tunna filmer av magnetisk BiFeO ₃ , observationen att den icke-kollinjära magnetiska ordningen i ortorombisk TbMnO ₃ och TbMn ₂ O ₅ orsakar ferroelektricitet, och identifieringen av ovanlig ferroelektrisk felaktighet som är kompatibel med samexistensen av magnetism i hexagonal manganit YMnO ₃ . Grafen till höger visar i rött antalet uppsatser om multiferroics från en Web of Science-sökning fram till 2008; den exponentiella ökningen fortsätter idag.

Magnetoelektriska material

För att placera multiferroiska material i deras lämpliga historiska sammanhang måste man också överväga magnetoelektriska material , där ett elektriskt fält modifierar de magnetiska egenskaperna och vice versa. Medan magnetoelektriska material inte nödvändigtvis är multiferroiska, är all ferromagnetisk ferroelektrisk multiferroisk linjär magnetoelektrisk, med ett pålagt elektriskt fält som inducerar en förändring i magnetiseringen linjärt proportionell mot dess storlek. Magnetoelektriska material och motsvarande magnetoelektriska effekt har en längre historia än multiferroics, visat i blått i grafen till höger. Det första kända omnämnandet av magnetoelektricitet är i 1959 års upplaga av Landau & Lifshitz Electrodynamics of Continuous Media som har följande kommentar i slutet av avsnittet om piezoelektricitet : "Låt oss peka ut ytterligare två fenomen, som i princip skulle kunna existera Den ena är piezomagnetism, som består av linjär koppling mellan ett magnetiskt fält i ett fast ämne och en deformation (analogt med piezoelektricitet) Den andra är en linjär koppling mellan magnetiska och elektriska fält i ett medium, vilket skulle orsaka till exempel en magnetisering proportionell mot ett elektriskt fält. Båda dessa fenomen kan existera för vissa klasser av magnetokristallin symmetri. Vi kommer dock inte att diskutera dessa fenomen mer i detalj eftersom det verkar som om de hittills, förmodligen, inte har observerats i någon substans." Ett år senare visade IE Dzyaloshinskii med hjälp av symmetriargument att materialet Cr ₂ O ₃ skulle ha linjärt magnetoelektriskt beteende, och hans förutsägelse verifierades snabbt av D. Astrov. Under de följande decennierna fortsatte forskningen om magnetoelektriska material stadigt i ett antal grupper i Europa, särskilt i det forna Sovjetunionen och i gruppen av H. Schmid i U. Genève. En serie öst-västkonferenser med titeln Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals (MEIPIC) hölls mellan 1973 (i Seattle) och 2009 (i Santa Barbara) , och faktiskt termen "multi-ferroisk magnetoelektrisk" användes först av H. Schmid i förhandlingarna från MEIPIC-konferensen 1993 (i Ascona).

Mekanismer för att kombinera ferroelektricitet och magnetism

För att definieras som ferroelektriskt måste ett material ha en spontan elektrisk polarisation som är omkopplingsbar av ett pålagt elektriskt fält. Vanligtvis uppstår en sådan elektrisk polarisation via en inversionssymmetribrytande strukturell distorsion från en centrosymmetrisk moderfas. Till exempel, i det prototypiska ferroelektriska bariumtitanatet, BaTiO ₃ , är moderfasen den ideala kubiska ABO _3- perovskitstrukturen , med B-ställets Ti ⁴⁺ -jon i centrum av dess syrekoordinationsoktaeder och ingen elektrisk polarisation. I den ferroelektriska fasen förskjuts Ti ⁴⁺ -jonen bort från oktaederns centrum vilket orsakar en polarisation. En sådan förskjutning tenderar bara att vara gynnsam när B-ställets katjon har en elektronkonfiguration med ett tomt d- skal (en så kallad d ⁰ -konfiguration), vilket gynnar energisänkande kovalent bindning mellan B-ställets katjon och det angränsande syret anjoner.

Detta "d0-ness"-krav är ett tydligt hinder för bildandet av multiferroics, eftersom magnetismen i de flesta övergångsmetalloxider uppstår från närvaron av delvis fyllda övergångsmetall-d- skal . Som ett resultat, i de flesta multiferroics, har ferroelektriciteten ett annat ursprung. Följande beskriver de mekanismer som är kända för att kringgå denna kontraindikation mellan ferromagnetism och ferroelektricitet.

Ensam-par-aktiv

I lone-par-aktiva multiferroics drivs den ferroelektriska förskjutningen av A-ställets katjon, och magnetismen uppstår från ett delvis fyllt d- skal på B-stället. Exempel inkluderar vismutferrit , BiFeO3 _, BiMnO3 (även om detta antas vara antipolärt) och _PbVO3_. I dessa material har A-ställets katjon (Bi ³⁺ , Pb ²⁺ ) ett så kallat stereokemiskt aktivt 6s ² ensamt elektronpar, och off-centrering av A-ställets katjon gynnas av en energisänkande elektrondelning mellan de formellt tomma A-ställets 6p- orbitaler och de fyllda O 2p -orbitalerna.

Geometrisk ferroelektricitet

I geometrisk ferroelektrik är drivkraften för den strukturella fasövergången som leder till det polära ferroelektriska tillståndet en rotationsförvrängning av polyedrarna snarare än en elektrondelande kovalent bindning. Sådana rotationsförvrängningar förekommer i många övergångsmetalloxider; i till exempel perovskiterna är de vanliga när A-ställets katjon är liten, så att syreoktaedrarna kollapsar runt den. I perovskiter betyder polyedrarnas tredimensionella anslutning att ingen nettopolarisering resulterar; om en oktaeder roterar åt höger, roterar dess anslutna granne åt vänster och så vidare. I skiktade material kan emellertid sådana rotationer leda till en nettopolarisering.

Den prototypiska geometriska ferroelektriken är de skiktade bariumövergångsmetallfluoriderna, BaMF ₄ , M=Mn, Fe, Co, Ni, Zn, som har en ferroelektrisk övergång vid omkring 1000K och en magnetisk övergång till ett antiferromagnetiskt tillstånd vid omkring 50K. Eftersom distorsionen inte drivs av en hybridisering mellan d-ställets katjon och anjonerna, är den kompatibel med förekomsten av magnetism på B-stället, vilket möjliggör multiferroiskt beteende.

Ett andra exempel tillhandahålls av familjen av hexagonala sällsynta jordartsmetaller manganiter (h- R MnO ₃ med R = Ho-Lu, Y), som har en strukturell fasövergång vid cirka 1300 K bestående huvudsakligen av en lutning av MnO ₅ -bipyramiderna. Medan själva lutningen har noll polarisation, kopplas den till en polär korrugering av R -jonskikten vilket ger en polarisation på ~6µC/cm ² . Eftersom ferroelektriciteten inte är den primära ordningens parameter beskrivs den som felaktig . Den multiferroiska fasen nås vid ~100K när en triangulär antiferromagnetisk ordning på grund av spinfrustration uppstår.

Beställning av avgift

Laddningsordning kan ske i föreningar som innehåller joner med blandad valens när elektronerna, som delokaliseras vid hög temperatur, lokaliseras i ett ordnat mönster på olika katjonställen så att materialet blir isolerande. När mönstret av lokaliserade elektroner är polärt är det laddningsordnade tillståndet ferroelektriskt. Vanligtvis är jonerna i ett sådant fall magnetiska och därför är det ferroelektriska tillståndet också multiferroiskt. Det första föreslagna exemplet på en laddningsordnad multiferroisk var LuFe ₂ O ₄ , som laddningsordrar vid 330 K med ett arrangemang av Fe ²⁺ och Fe ³⁺ joner. Ferrimagnetisk ordning sker under 240 K. Huruvida laddningsordningen är polär eller inte har dock nyligen ifrågasatts. föreslås laddningsordnad ferroelektricitet i magnetit, Fe3O4, _under_dess Verwey-övergång, och (Pr,Ca) _MnO3 .

Magnetiskt driven ferroelektricitet

I magnetiskt drivna multiferroics induceras den makroskopiska elektriska polarisationen av långdistansmagnetisk ordning som är icke-centrosymmetrisk. Formellt ges den elektriska polarisationen, $\mathbf {P}$ , i termer av magnetiseringen, $\mathbf {M}$ , av

$\mathbf {P} \sim \mathbf {M} \times (\nabla _{\mathbf {r} }\times \mathbf {M} )$ .

Liksom den geometriska ferroelektriken som diskuterats ovan är ferroelektriciteten felaktig, eftersom polarisationen inte är den primära ordningens parameter (i detta fall är den primära ordningen magnetiseringen) för den ferroiska fasövergången.

Det prototypiska exemplet är bildandet av det icke-centrosymmetriska magnetiska spiraltillståndet, åtföljt av en liten ferroelektrisk polarisation, under 28K i _TbMnO3 . I detta fall är polarisationen liten, 10 ⁻² μC/cm ² , eftersom mekanismen som kopplar den icke-centrosymmetriska spinnstrukturen till kristallgittret är den svaga spin-omloppskopplingen. Större polarisationer uppstår när den icke-centrosymmetriska magnetiska ordningen orsakas av den starkare superväxlingsinteraktionen, såsom i ortorombisk HoMnO ₃ och relaterade material. I båda fallen är den magnetoelektriska kopplingen stark eftersom ferroelektriciteten är direkt orsakad av den magnetiska ordningen.

f-elektronmagnetism

Medan de flesta magnetoelektriska multiferroics som utvecklats hittills har konventionell övergångsmetall d-elektronmagnetism och en ny mekanism för ferroelektriciteten, är det också möjligt att introducera en annan typ av magnetism i en konventionell ferroelektrisk. Den mest uppenbara vägen är att använda en sällsynt jordartsmetalljon med ett delvis fyllt skal av f- elektroner på A-platsen. Ett exempel är EuTiO ₃ som, även om den inte är ferroelektrisk under omgivande förhållanden, blir det när den ansträngs lite, eller när dess gitterkonstant expanderas till exempel genom att ersätta lite barium på A-stället.

Kompositer

Det är fortfarande en utmaning att utveckla bra enfas multiferroics med stor magnetisering och polarisering och stark koppling mellan dem vid rumstemperatur. Därför är kompositer som kombinerar magnetiska material, såsom FeRh, med ferroelektriska material, såsom PMN-PT, en attraktiv och etablerad väg för att uppnå multiferroicitet. Några exempel inkluderar magnetiska tunna filmer på piezoelektriska PMN-PT-substrat och Metglass/PVDF/Metglass treskiktsstrukturer. Nyligen har en intressant skikt-för-skikt-tillväxt av en multiferroisk komposit i atomskala demonstrerats, bestående av individuella skikt av ferroelektrisk och antiferromagnetisk LuFeO 3 alternerande med _{ferrimagnetisk} men opolär LuFe ₂ O ₄ i ett supergitter.

Ett nytt lovande tillvägagångssätt är keramik av kärna-skal där en magnetoelektrisk komposit bildas in situ under syntes. I systemet (BiFe _0,9 Co _0,1 O ₃ ) _0,4 -(Bi _1/2 K _1/2 TiO ₃ ) _0,6 (BFC-BKT) har mycket stark ME-koppling observerats i mikroskopisk skala med användning av PFM under magnetfält. Vidare har omkoppling av magnetisering via elektriskt fält observerats med hjälp av MFM. Här består ME aktiva kärna-skal-korn av magnetiska CoFe ₂ O ₄ (CFO) kärnor och ett (BiFeO ₃ ) _0,6 -(Bi _1/2 K _1/2 TiO ₃ ) _0,4 (BFO-BKT) skal där kärna och skal har en epitaxiell gitterstruktur. Mekanismen för stark ME-koppling sker via magnetisk utbytesinteraktion mellan CFO och BFO över gränssnittet mellan kärna och skal, vilket resulterar i en exceptionellt hög Neel-temperatur på 670 K av BF-BKT-fasen.

Övrig

Det har förekommit rapporter om stor magnetoelektrisk koppling vid rumstemperatur i multiferroisk typ I som i den "utspädda" magnetiska perovskiten (PbZr _0,53 Ti _0,47 O ₃ ) _0,6 –(PbFe _1/2 Ta _1/2 O ₃ ) _0,4 ( PZTFT) i vissa Aurivillius-faser. Här har stark ME-koppling observerats i mikroskopisk skala med användning av PFM under magnetfält bland andra tekniker. Organiska-oorganiska hybrid multiferroiska ämnen har rapporterats i familjen metall-formiatperovskiter, såväl som molekylära multiferroiska ämnen såsom [(CH ₃ ) ₂ NH ₂ ][Ni(HCOO) ₃ ], med elastisk töjningsmedierad koppling mellan ordningen parametrar.

Klassificering

Typ-I och typ-II multiferroics

Ett användbart klassificeringsschema för multiferroics i så kallade typ-I och typ-II multiferroics introducerades 2009 av D. Khomskii.

Khomskii föreslog termen typ-I multiferroisk för material där ferroelektriciteten och magnetismen uppstår vid olika temperaturer och härrör från olika mekanismer. Vanligtvis sker den strukturella distorsion som ger upphov till ferroelektriciteten vid hög temperatur, och den magnetiska ordningen, som vanligtvis är antiferromagnetisk, sätter in vid lägre temperatur. Det prototypiska exemplet är BiFeO3 ₃ (TC ₌ 1100 K, TN ₌ 643 K), med ferroelektriciteten som drivs av det stereokemiskt aktiva ensamma paret av Bi ⁺ -jonen och den magnetiska ordningen orsakad av den vanliga superutbytesmekanismen. YMnO ₃ (TC ₌ 914 K, TN ₌ 76 K) är också typ-I, även om dess ferroelektricitet är så kallad "olämplig", vilket betyder att det är en sekundär effekt som härrör från en annan (primär) strukturell distorsion. Den oberoende uppkomsten av magnetism och ferroelektricitet gör att domänerna för de två egenskaperna kan existera oberoende av varandra. De flesta typ-I multiferroics visar en linjär magnetoelektrisk respons, såväl som förändringar i dielektrisk susceptibilitet vid den magnetiska fasövergången.

Termen typ II multiferroic används för material där den magnetiska ordningen bryter inversionssymmetrin och direkt "orsakar" ferroelektriciteten. I detta fall är ordningstemperaturerna för de två fenomenen identiska. Det prototypiska exemplet är TbMnO3 _, i vilken en icke-centrosymmetrisk magnetisk spiral åtföljd av en ferroelektrisk polarisation sätter in på 28 K. Eftersom samma övergång orsakar båda effekterna är de genom konstruktion starkt kopplade. De ferroelektriska polarisationerna tenderar att vara storleksordningar mindre än de för typ-I multiferroics, dock typiskt i storleksordningen 10 ⁻² μC/cm ² . Den motsatta effekten har också rapporterats, i Motts isolerande laddningsöverföringssalt – (BEDT-TTF)2Cu[N(CN)
₂ ]Cl . Här driver en laddningsordrande övergång till ett polärt ferroelektriskt hölje en magnetisk ordning, vilket återigen ger en intim koppling mellan de ferroelektriska och, i detta fall antiferromagnetiska, beställningarna.

Symmetri och koppling

Bildandet av en ferroisk ordning är alltid förknippad med brytandet av en symmetri. Till exempel bryts symmetrin av rumslig inversion när ferroelektrik utvecklar sitt elektriska dipolmoment, och tidsomkastning bryts när ferromagneter blir magnetiska. Symmetribrytningen kan beskrivas av en ordningsparameter, polarisationen P och magnetiseringen M i dessa två exempel, och leder till flera ekvivalenta jordtillstånd som kan väljas av det lämpliga konjugerade fältet; elektriska eller magnetiska för ferroelektriska respektive ferromagneter. Detta leder till exempel till den välbekanta omkopplingen av magnetiska bitar med hjälp av magnetfält i magnetisk datalagring.

Ferroics kännetecknas ofta av beteendet hos deras ordningsparametrar under rymdinversion och tidsomkastning (se tabell). Funktionen av rymdinversion vänder polarisationsriktningen (så fenomenet med polarisering är rymd-inversion antisymmetriskt) samtidigt som magnetiseringen lämnas invariant. Som ett resultat är opolära ferromagneter och ferrolastik invarianta under rymdinversion medan polär ferroelektrik inte är det. Driften av tidsreversering ändrar å andra sidan M -tecknet (som därför är tidsreverseringsantisymmetriskt), medan P -tecknet förblir invariant. Därför är icke-magnetisk ferroelastik och ferroelektrik invariant under tidsomkastning medan ferromagneter inte är det.

	Space-inversion symmetrisk	Space-inversion antisymmetrisk
Tidsomkastande symmetrisk	Ferroelastisk	Ferroelektrisk
Tidsomkastande antisymmetrisk	Ferromagnetisk	Magnetoelektrisk multiferroisk

Magnetoelektriska multiferroics är både rymdinversion och tidsreverserande antisymmetriska eftersom de är både ferromagnetiska och ferroelektriska.

Kombinationen av symmetribrott i multiferroics kan leda till koppling mellan ordningsparametrarna, så att en ferroisk egenskap kan manipuleras med den andras konjugerade fält. Ferroelastisk ferroelektrisk, till exempel, är piezoelektrisk , vilket betyder att ett elektriskt fält kan orsaka en formförändring eller ett tryck kan inducera en spänning, och ferrolastiska ferromagneter visar det analoga piezomagnetiska beteendet. Särskilt tilltalande för potentiella teknologier är styrningen av magnetismen med ett elektriskt fält i magnetoelektriska multiferroics, eftersom elektriska fält har lägre energibehov än deras magnetiska motsvarigheter.

Ansökningar

Elektriskt fältkontroll av magnetism

Den främsta tekniska drivkraften för utforskningen av multiferroics har varit deras potential att kontrollera magnetism med hjälp av elektriska fält via deras magnetoelektriska koppling. En sådan förmåga skulle kunna vara tekniskt transformativ, eftersom produktionen av elektriska fält är mycket mindre energikrävande än produktionen av magnetiska fält (som i sin tur kräver elektriska strömmar) som används i de flesta befintliga magnetismbaserade teknologier. Det har funnits framgångar med att styra orienteringen av magnetism med hjälp av ett elektriskt fält, till exempel i heterostrukturer av konventionella ferromagnetiska metaller och multiferroisk BiFeO3, _såväl som i att kontrollera det magnetiska tillståndet , till exempel från antiferromagnetiskt till ferromagnetiskt i FeRh.

I multiferroiska tunna filmer kan de kopplade magnetiska och ferroelektriska ordningsparametrarna utnyttjas för att utveckla magnetoelektroniska anordningar. Dessa inkluderar nya spintroniska enheter såsom tunnelmagnetoresistance (TMR) sensorer och spinnventiler med elektriska fältavstämningsfunktioner. En typisk TMR-enhet består av två lager av ferromagnetiska material separerade av en tunn tunnelbarriär (~2 nm) gjord av en multiferroisk tunn film. I en sådan anordning kan spinntransport över barriären vara elektriskt avstämd. I en annan konfiguration kan ett multiferroiskt skikt användas som utbytesförspänningsnålningsskiktet. Om de antiferromagnetiska spinnorienteringarna i det multiferroiska stiftlagret kan avstämmas elektriskt, kan magnetoresistansen hos anordningen styras av det applicerade elektriska fältet. Man kan också utforska flera tillståndsminneselement, där data lagras både i den elektriska och den magnetiska polarisationen.

Radio och högfrekventa enheter

Multiferroiska kompositstrukturer i bulkform utforskas för högkänsliga växelströmsmagnetfältssensorer och elektriskt avstämbara mikrovågsenheter som filter, oscillatorer och fasskiftare (där den ferri-, ferro- eller antiferromagnetiska resonansen är avstämd elektriskt istället för magnetiskt) .

Cross-over-applikationer inom andra fysikområden

Multiferroics har använts för att ta itu med grundläggande frågor inom kosmologi och partikelfysik. I den första har det faktum att en individuell elektron är en idealisk multiferroisk, med vilket elektriskt dipolmoment som helst som krävs av symmetri för att anta samma axel som dess magnetiska dipolmoment, utnyttjats för att söka efter elektronens elektriska dipolmoment. Med användning av det konstruerade multiferroiska materialet (Eu,Ba)TiO3 _övervakades förändringen i det magnetiska nettomomentet vid omkoppling av den ferroelektriska polarisationen i ett applicerat elektriskt fält, vilket möjliggjorde en övre gräns för det möjliga värdet av det elektronelektriska dipolmomentet. . Denna kvantitet är viktig eftersom den återspeglar mängden tidsreverserande (och därmed CP) symmetri som bryter i universum, vilket sätter allvarliga begränsningar på teorier om elementarpartikelfysik. I ett andra exempel har den ovanliga olämpliga geometriska ferroelektriska fasövergången i de hexagonala manganiterna visat sig ha symmetriegenskaper gemensamma med föreslagna tidiga universumfasövergångar. Som ett resultat kan de hexagonala manganiterna användas för att köra experiment i laboratoriet för att testa olika aspekter av tidig universums fysik. I synnerhet har en föreslagen mekanism för kosmisk strängbildning verifierats, och aspekter av kosmisk strängevolution undersöks genom observation av deras multiferroiska domänskärningsanaloger.

Tillämpningar bortom magnetoelektricitet

Ett antal andra oväntade tillämpningar har identifierats under de senaste åren, mestadels i multiferroisk vismutferrit, som inte verkar vara direkt relaterade till den kopplade magnetismen och ferroelektriciteten. Dessa inkluderar en fotovoltaisk effekt , fotokatalys och gasavkänningsbeteende. Det är troligt att kombinationen av ferroelektrisk polarisation, med det lilla bandgapet som delvis består av övergångsmetall d-tillstånd är ansvariga för dessa gynnsamma egenskaper.

Multiferroiska filmer med lämplig bandgapstruktur till solceller utvecklades vilket resulterar i hög energiomvandlingseffektivitet på grund av effektiv ferroelektrisk polarisationsdriven bärarseparation och överbandsavståndsgenerering fotospänning. Olika filmer har undersökts, och det finns också ett nytt tillvägagångssätt för att effektivt justera bandgapet för den dubbla perovskit-flerskiktsoxiden genom att konstruera katjonordningen för Bi2FeCrO6.

Dynamik

Dynamisk multiferroicitet

Nyligen påpekades att, på samma sätt som elektrisk polarisation kan genereras genom rumsligt varierande magnetisk ordning, kan magnetism genereras genom en temporärt varierande polarisation. Det resulterande fenomenet kallades Dynamical Multiferroicity . Magnetiseringen, $\mathbf {M}$ ges av

$\mathbf {M} \sim \mathbf {P} \times {\frac {\partial \mathbf {P} }{\partial t}}$

där $\mathbf {P}$ är polarisationen och $\times$ indikerar vektorprodukten. Den dynamiska multiferroicitetsformalismen ligger till grund för följande mångsidiga spektrum av fenomen:

Fonon Zeeman-effekten, där fononer med motsatt cirkulär polarisation har olika energier i ett magnetfält. Detta fenomen väntar på experimentell verifiering.
Resonant magnon-excitering av optiskt drivna fononer.
Elektromagnoner av Dzylaoshinskii-Moriya-typ.
Den omvända Faraday-effekten.
Exotiska smaker av kvantkriticitet.

Dynamiska processer

Studiet av dynamik i multiferroiska system handlar om att förstå tidsutvecklingen av kopplingen mellan olika ferroiska ordnar, särskilt under externa tillämpade fält. Aktuell forskning inom detta område är motiverad både av löftet om nya typer av tillämpningar som är beroende av dynamikens kopplade natur, och sökandet efter ny fysik som ligger i hjärtat av den grundläggande förståelsen av de elementära MF-excitationerna. Ett ökande antal studier av MF-dynamik handlar om kopplingen mellan elektriska och magnetiska ordningsparametrar i den magnetoelektriska multiferroiken. Inom denna klass av material utforskar den ledande forskningen, både teoretiskt och experimentellt, de grundläggande gränserna (t.ex. inre kopplingshastighet, kopplingsstyrka, materialsyntes) för den dynamiska magnetoelektriska kopplingen och hur dessa kan både nås och utnyttjas för utveckling av ny teknik.

I hjärtat av de föreslagna teknologierna baserade på magnetoelektrisk koppling är kopplingsprocesser, som beskriver manipuleringen av materialets makroskopiska magnetiska egenskaper med elektriskt fält och vice versa. Mycket av fysiken i dessa processer beskrivs av dynamiken i domäner och domänväggar. Ett viktigt mål för nuvarande forskning är minimering av kopplingstiden, från bråkdelar av en sekund ("kvasi"-statisk regim), mot nanosekundintervallet och snabbare, det senare är den typiska tidsskala som behövs för modern elektronik, som nästa generations minnesenheter.

Ultrasnabba processer som arbetar på pikosekund, femtosekund och till och med attosekundsskala både drivs av och studeras med hjälp av optiska metoder som ligger i frontlinjen av modern vetenskap. Fysiken som ligger till grund för observationerna på dessa korta tidsskalor styrs av icke-jämviktsdynamik och använder sig vanligtvis av resonansprocesser. En demonstration av ultrasnabba processer är växlingen från kolinjärt antiferromagnetiskt tillstånd till spiralantiferromagnetiskt tillstånd i CuO under excitation med 40 fs 800 nm laserpuls. Ett andra exempel visar möjligheten för direkt styrning av spinnvågor med THz-strålning på antiferromagnetiskt NiO. Dessa är lovande demonstrationer av hur omkopplingen av elektriska och magnetiska egenskaper i multiferroics, förmedlad av den blandade karaktären hos den magnetoelektriska dynamiken, kan leda till ultrasnabb databehandling, kommunikation och kvantberäkningsenheter.

Aktuell forskning om MF-dynamik syftar till att ta itu med olika öppna frågor; praktiskt förverkligande och demonstration av domänväxling med ultrahög hastighet, utveckling av ytterligare nya applikationer baserade på avstämbar dynamik, t.ex. frekvensberoende av dielektriska egenskaper, den grundläggande förståelsen av excitationernas blandade karaktär (t.ex. i ME-fallet, blandad fonon -magnonlägen – 'elektromagnoner'), och den potentiella upptäckten av ny fysik förknippad med MF-kopplingen.

Domäner och domänväggar

Schematisk bild av de fyra möjliga domäntillstånden för ett ferroelektriskt ferromagnetiskt material där både polarisationen (elektrisk dipol indikerad av laddningar) och magnetiseringen (röd pil) har två motsatta orienteringar. Domänerna är åtskilda av olika typer av domänväggar, klassificerade efter de ordningsparametrar som ändras över väggen.

Som alla ferroiska material är ett multiferroiskt system uppdelat i domäner. En domän är en spatialt utsträckt region med en konstant riktning och fas för dess ordningsparametrar. Närliggande domäner separeras av övergångsregioner som kallas domänväggar.

Egenskaper för multiferroiska domäner

I motsats till material med en enda ferroisk ordning har domäner i multiferroics ytterligare egenskaper och funktionaliteter. Till exempel kännetecknas de av en sammansättning av minst två ordningsparametrar. Beställningsparametrarna kan vara oberoende (typiska men inte obligatoriska för en multiferroisk typ I) eller kopplade (obligatorisk för en multiferroisk typ II).

Många enastående egenskaper som skiljer domäner i multiferroics från de i material med en enda ferroisk ordning är konsekvenser av kopplingen mellan ordningsparametrarna.

Kopplingen kan leda till mönster med en fördelning och/eller topologi av domäner som är exklusiv för multiferroics.
Order-parameterkopplingen är vanligtvis homogen över en domän, dvs gradienteffekterna är försumbara.
I vissa fall är det genomsnittliga nettovärdet av orderparametern för ett domänmönster mer relevant för kopplingen än värdet för orderparametern för en enskild domän.

Dessa problem leder till nya funktioner som förklarar det aktuella intresset för dessa material.

Egenskaper hos multiferroiska domänväggar

Domänväggar är rumsligt utsträckta övergångsregioner som förmedlar överföringen av orderparametern från en domän till en annan. I jämförelse med domänerna är domänväggarna inte homogena och de kan ha en lägre symmetri. Detta kan modifiera egenskaperna hos en multiferroic och kopplingen av dess ordningsparametrar. Multiferroiska domänväggar kan uppvisa särskilda statiska och dynamiska egenskaper.

Statiska egenskaper avser stationära väggar. De kan vara resultatet av

Den reducerade dimensionaliteten
Murens ändliga bredd
Väggens olika symmetri
Den inneboende kemiska, elektroniska eller ordningsparameterinhomogeniteten inom väggarna och de resulterande gradienteffekterna.

Syntes

Multiferroiska egenskaper kan förekomma i en mängd olika material. Därför används flera konventionella materialtillverkningsvägar, inklusive solid state-syntes , hydrotermisk syntes , sol-gel-bearbetning , vakuumbaserad avsättning och flytande zon .

Vissa typer av multiferroics kräver mer specialiserade bearbetningstekniker, som t.ex

Vakuumbaserad avsättning (till exempel: MBE , PLD ) för tunnfilmsavsättning för att utnyttja vissa fördelar som kan komma med 2-dimensionella skiktade strukturer såsom: töjningsmedierad multiferroics, heterostrukturer, anisotropi.
Högtrycks-solid-state-syntes för att stabilisera metastabila eller mycket förvrängda strukturer, eller i fallet med de Bi-baserade multiferroics på grund av den höga flyktigheten hos vismut.

Förteckning över material

De flesta multiferroiska material som hittills identifierats är övergångsmetalloxider, som är föreningar gjorda av (vanligtvis 3d ) övergångsmetaller med syre och ofta en extra huvudgruppskatjon. Övergångsmetalloxider är en gynnsam klass av material för att identifiera multiferroics av några skäl:

De lokaliserade 3d-elektronerna på övergångsmetallen är vanligtvis magnetiska om de är delvis fyllda med elektroner.
Syre är på en "sweet spot" i det periodiska systemet genom att bindningarna det gör med övergångsmetaller varken är för joniska (som dess granne fluor, F) eller för kovalenta (som dess grannkväve, N). Som ett resultat är dess bindningar med övergångsmetaller ganska polariserbara, vilket är gynnsamt för ferroelektricitet.
Övergångsmetaller och syre tenderar att vara rikligt med jord, giftfria, stabila och miljövänliga.

Många multiferroics har perovskitstrukturen . Detta är delvis historiskt – det mesta av den välstuderade ferroelektriken är perovskiter – och delvis på grund av strukturens höga kemiska mångsidighet.

Nedan är en lista över några av de mest välstuderade multiferroics med deras ferroelektriska och magnetiska ordningstemperaturer. När ett material visar mer än en ferroelektrisk eller magnetisk fasövergång, anges den mest relevanta för det multiferroiska beteendet.

kritisk temperatur
Material	Ferroelektrisk T _C [K]	magnetisk T _N eller T _C [K]	Typ av ferroelektricitet
BiFeO ₃	1100	653	ensamt par
h-YMnO ₃	920	80	geometrisk (olämplig)
BaNiF ₄			geometrisk (riktig)
PbVO ₃			ensamt par
BiMnO ₃			ensamt par
LuFe ₂ O ₄			laddning beställd
HoMn ₂ O ₅	39		magnetiskt driven
h-HoMnO ₃	873	76	geometrisk (olämplig)
h-ScMnO ₃		129	geometrisk (olämplig)
h-ErMnO ₃	833	80	geometrisk (olämplig)
h-TmMnO ₃	>573	86	geometrisk (olämplig)
h-YbMnO ₃	993	87	geometrisk (olämplig)
h-LuMnO ₃	>750	96	geometrisk (olämplig)
K ₂ SeO ₄			geometrisk
Cs ₂ CdI ₄			geometrisk
TbMnO ₃	27	42	magnetiskt driven
Ni ₃ V ₂ O ₈	6.5
MnWO ₄	13.5		magnetiskt driven
CuO	230	230	magnetiskt driven
ZnCr ₂ Se ₄	110	20
LiCu2O2Ni3B7O13I _{_} _ _{_}
_ _{_} _ _{_} _ _{_} _

Se även

Ferrotoroidicitet

Recensioner om Multiferroics

Spaldin, Nicola A. (2020). "Multiferroics bortom elektrisk fältkontroll av magnetism" . Proc. R. Soc. A . 476 (2233): 0542. arXiv : 1908.08352 . Bibcode : 2020RSPSA.47690542S . doi : 10.1098/rspa.2019.0542 . PMC 7016559 . PMID 32082059 .
Spaldin, NA; Ramesh, R. (2019). "Framsteg inom magnetoelektrisk multiferroik" . Naturen . 18 (3): 203–212. doi : 10.1038/s41563-018-0275-2 . PMID 30783227 . S2CID 73464831 .
Spaldin, Nicola A. (2017). "Multiferroics: dåtid, nutid och framtid" . MRS Bulletin . 42 (5): 385–390. Bibcode : 2017MRSBu..42..385S . doi : 10.1557/mrs.2017.86 . ISSN 0883-7694 .
Spaldin, Nicola A. (2017). "Multiferroics: från det kosmiskt stora till det subatomiskt lilla". Naturrecensioner Material . 2 (5): 17017. Bibcode : 2017NatRM...217017S . doi : 10.1038/natrevmats.2017.17 .
Fiebig, M.; Lottermoser, Th.; Meier, D.; Trassin, M. (2016). "Utvecklingen av multiferroics". Naturrecensioner Material . 1 (8): 16046. Bibcode : 2016NatRM...116046F . doi : 10.1038/natrevmats.2016.46 .
Dong, S.; Liu, J.-M.; Cheong, S.-W.; Ren, ZF (2015). "Multiferroiska material och magnetoelektrisk fysik: symmetri, intrassling, excitation och topologi". Framsteg inom fysik . 64 (5–6): 519–626. arXiv : 1512.05372 . Bibcode : 2015AdPhy..64..519D . doi : 10.1080/00018732.2015.1114338 . S2CID 119182615 .
Pjatakov, AP; Zvezdin, AK (2012). "Magnetoelektriska och multiferroiska medier". Fysik-Uspekhi . 55 (6): 557–581. Bibcode : 2012PhyU...55..557P . doi : 10.3367/ufne.0182.201206b.0593 . S2CID 122494737 .
Ma, J.; Hu, JM; Li, Z.; Nan, CW (2011). "De senaste framstegen inom multiferroiska magnetoelektriska kompositer: från bulk till tunna filmer". Avancerat material . 23 (9): 1062–1087. Bibcode : 2011AdM....23.1062M . doi : 10.1002/adma.201003636 . PMID 21294169 . S2CID 21959561 .
Akbashev, AR; Kaul, AR (2011). "Strukturella och kemiska aspekter av utformningen av multiferroiska material". Ryska kemiska recensioner . 80 (12): 1159–1177. Bibcode : 2011RuCRv..80.1159A . doi : 10.1070/rc2011v080n12abeh004239 . S2CID 96269424 .
Tokura, Y.; Seki, S. (2010). "Multiferroics med Spiral Spin Orders". Adv. Mater. 22 (14): 1554–1565. Bibcode : 2010AdM....22.1554T . doi : 10.1002/adma.200901961 . PMID 20496385 . S2CID 12517975 .
Spaldin, Nicola A.; Cheong, Sang-Wook; Ramesh, Ramamoorthy (2010-10-01). "Multiferroics: dåtid, nutid och framtid". Fysik idag . 63 (10): 38–43. Bibcode : 2010PhT....63j..38S . doi : 10.1063/1.3502547 . S2CID 36755212 .
Wang, KF; Liu, JM; Ren, ZF (2009). "Multiferroicity: kopplingen mellan magnetiska och polarisationsorder". Adv. Phys. 58 (4): 321–448. arXiv : 0908.0662 . Bibcode : 2009AdPhy..58..321W . doi : 10.1080/00018730902920554 . S2CID 118149803 .
Khomskii, D. (2008). "Mångfald på grund av avgiftsbeställning". Journal of Physics: Condensed Matter . 20 (43): 434217. arXiv : 0803.2964 . Bibcode : 2008JPCM...20Q4217V . doi : 10.1088/0953-8984/20/43/434217 . S2CID 1037678 .
Nan, Ce-Wen; Bichurin, MI; Dong, Shuxiang; Viehland, D.; Srinivasan, G. (2008). "Multiferroiska magnetoelektriska kompositer: Historiskt perspektiv, status och framtida riktningar". J. Appl. Phys . 103 (3): 031101–031101–35. Bibcode : 2008JAP...103c1101N . doi : 10.1063/1.2836410 . S2CID 51900508 .
Spaldin, Nicola A.; Ramesh, R. (2008-11-01). "Elektrisk fältkontroll av magnetism i tunna filmer av komplex oxid" . MRS Bulletin . 33 (11): 1047–1050. doi : 10.1557/mrs2008.224 . ISSN 1938-1425 .
Kimura, T. (2007). "Spiralmagneter som Magnetoelectrics". Annu. Rev Mater. Res. 37 : 387-413. Bibcode : 2007AnRMS..37..387K . doi : 10.1146/annurev.matsci.37.052506.084259 .
Bibes, M.; Barthelemy, A. (2007). "Oxidespintronik". IEEE Trans. Elektron. Dev. 54 (5): 1003–1023. arXiv : 0706.3015 . Bibcode : 2007ITED...54.1003B . doi : 10.1109/ted.2007.894366 . S2CID 8544618 .
Cheong, S.-W.; Mostovoy, M. (2007). "Multiferroics: en magnetisk twist för ferroelektricitet" (PDF) . Naturmaterial . 6 (1): 13–20. Bibcode : 2007NatMa...6...13C . doi : 10.1038/nmat1804 . hdl : 11370/f0777dfc-d0d7-4358-8337-c63e7ad007e7 . PMID 17199121 . S2CID 23304200 .
Ramesh, R.; Spaldin, NA (2007). "Multiferroics: framsteg och framtidsutsikter i tunna filmer". Naturmaterial . 6 (1): 21–29. Bibcode : 2007NatMa...6...21R . doi : 10.1038/nmat1805 . PMID 17199122 .
Tokura, Y. (2007). "Multiferroics - mot stark koppling mellan magnetisering och polarisering i ett fast ämne". J. Mag. Mag. Matta. 310 (2): 1145–1150. Bibcode : 2007JMMM..310.1145T . doi : 10.1016/j.jmmm.2006.11.198 .
Rao, CNR; Serrao, CR (2007). "Nya vägar till multiferroics". J. Mater. Chem. 17 (47): 4931. doi : 10.1039/b709126e .
Eerenstein, W.; Mathur, ND; Scott, JF (2006). "Multiferroiska och magnetoelektriska material" . Naturen . 442 (7104): 759–765. Bibcode : 2006Natur.442..759E . doi : 10.1038/nature05023 . PMID 16915279 . S2CID 4387694 .
Khomskii, DI (2006). "Multiferroics: Olika sätt att kombinera magnetism och ferroelektricitet". J. Mag. Mag. Matta. 306 (1): 1. arXiv : cond-mat/0601696 . Bibcode : 2006JMMM..306....1K . doi : 10.1016/j.jmmm.2006.01.238 . S2CID 119377961 .
Tokura, Y. (2006). "Multiferroics som kvantelektromagneter ". Vetenskap . 312 (5779): 1481–1482. doi : 10.1126/science.1125227 . PMID 16763137 . S2CID 136576668 .
Prellier, W.; Singh, MP; Murugavel, P. (2005). "De enfasiga multiferroiska oxiderna: från bulk till tunn film". J. Phys.: Kondens. Materia . 17 (30): R803. Bibcode : 2005JPCM...17R.803P . doi : 10.1088/0953-8984/17/30/r01 . S2CID 115951362 .
Fiebig, M. (2005). "Återupplivande av den magnetoelektriska effekten". J. Phys. D: Appl. Phys. 38 (8): R123. Bibcode : 2005JPhD...38R.123F . doi : 10.1088/0022-3727/38/8/r01 . S2CID 121588385 .
Spaldin, NA ; Fiebig, M. (2005). "Renässansen av magnetisk multiferroics". Vetenskap . 309 (5733): 391–392. doi : 10.1126/science.1113357 . PMID 16020720 . S2CID 118513837 .

Samtal och dokumentärer om multiferroics

France 24-dokumentären "Nicola Spaldin: The pioneer behind multiferroics" (12 minuter) https://www.youtube.com/watch?v=bfVKtIcl2Nk&t=10s

Seminarium "Electric field control of magnetism" av R. Ramesh på U Michigan (1 timme) https://www.youtube.com/watch?v=dTpr9CEYP6M

Max Roessler-priset för multiferroics vid ETH Zürich (5 minuter): https://www.youtube.com/watch?v=Nq0j6xrNcLk

ICTP Colloquium "From material to cosmology; Studying the early universum under the microscope" av Nicola Spaldin (1 timme) https://www.youtube.com/watch?v=CYHB0BZQU-U

Tsuyoshi Kimuras forskning om "Toward very functional devices using mulitferroics" (4 minuter): https://www.youtube.com/watch?v=_KfySbeVO4M

"Stark korrelation mellan elektricitet och magnetism i material" av Yoshi Tokura (45 minuter): https://www.youtube.com/watch?v=i6tcSXbEELE

"Breaking the wall to the next material age", Falling Walls, Berlin (15 minuter): https://www.youtube.com/watch?v=pirXBfwni-w