Электричество и магнетизм тесно связаны: линии электропередач создают магнитное поле, вращающиеся магниты в генераторе производят электричество. На электрические свойства некоторых кристаллов могут влиять магнитные поля — и наоборот. В этом случае ученые говорят о «магнитоэлектрическом эффекте». Он играет важную технологическую роль, например, в некоторых типах датчиков или в поиске новых концепций хранения данных. Ученые исследовали специальный материал, для которого, на первый взгляд, вообще нельзя было ожидать магнитоэлектрического эффекта. Но тщательные эксперименты показали, что этот эффект можно наблюдать в таком материале. Однако в редкоземельном лангасите он работает совершенно иначе, чем обычно. Им можно управлять, но стоит учесть, что даже небольшие изменения направления магнитного поля могут переключить электрические свойства материала в совершенно другое состояние. Результаты исследования публикует журнал Quantum Materials.
«Связаны электрические и магнитные свойства кристалла или нет, зависит от внутренней симметрии кристалла, — объясняет профессор Андрей Пименов из Института физики твердого тела в Венском техническом университете. — Если кристалл обладает высокой степенью симметрии, например, если одна сторона кристалла является в точности зеркальным отображением другой стороны, то по теоретическим причинам магнитоэлектрический эффект быть не может».
Это относится к кристаллу, который сейчас подробно изучается — так называемый лангасит, состоящий из лантана, галлия, кремния и кислорода, легированный атомами гольмия. «Кристаллическая структура настолько симметрична, что фактически не должна допускать никакого магнитоэлектрического эффекта. А в случае слабых магнитных полей действительно нет никакой связи с электрическими свойствами кристалла, — подчеркивает Пименов. — Но если мы увеличим силу магнитного поля, произойдет нечто замечательное: атомы гольмия изменят свое квантовое состояние и приобретут магнитное состояние. Это нарушит внутреннюю симметрию кристалла».
Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее его влияние на электрическую поляризацию. «Связь между поляризацией и напряженностью магнитного поля примерно линейна, в этом нет ничего необычного, — говорит Андрей Пименов. — Однако примечательно то, что взаимосвязь между поляризацией и направлением магнитного поля сильно нелинейна. Если вы немного измените направление магнитного поля, поляризация может полностью перевернуться. Это — новая форма магнитоэлектрического эффекта, которая ранее не была известно». Таким образом, небольшое вращение может решить, может ли магнитное поле изменить электрическую поляризацию кристалла или нет.
Магнитоэлектрический эффект будет играть все более важную роль в различных технологических приложениях. На следующем этапе ученые попытаются изменить магнитные свойства с помощью электрического поля вместо изменения электрических свойств с помощью магнитного поля. В принципе, это должно быть возможным.
Если это удастся, это будет новый многообещающий способ хранения данных в твердых телах. «В магнитных запоминающих устройствах, таких как компьютерные жесткие диски, сегодня необходимы магнитные поля, — объясняет Пименов. — Они генерируются с помощью магнитных катушек, что требует относительно большого количества энергии и времени. Если бы существовал прямой способ переключения магнитных свойств твердотельной памяти с помощью электрического поля, это было бы прорывом».
Читать также
Исследование: Земля не нагревалась так интенсивно последние 10 млн лет
На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком
Ученые выяснили, почему дети являются самыми опасными переносчиками COVID-19