WikiDer > Магнитоэлектрический эффект

Magnetoelectric effect

В самом общем виде магнитоэлектрический эффект (ME) обозначает любую связь между магнитными и электрическими свойствами материала.[1][2] Первый пример такого эффекта описал Вильгельм Рентген в 1888 году, который обнаружил, что диэлектрический материал, движущийся в электрическом поле, намагничивается.[3] Материал, в котором присутствует такая муфта, называется магнитоэлектрический.

Исторически первым и наиболее изученным примером этого эффекта является линейный магнитоэлектрический эффект. Математически, в то время как электрическая восприимчивость и магнитная восприимчивость описывают электрические и магнитные поляризационные отклики на электрическую, соотв. магнитное поле, есть также возможность магнитоэлектрической восприимчивости который описывает линейный отклик электрической поляризации на магнитное поле, и наоборот:[4]

Тензор должны быть одинаковыми в обоих уравнениях. Здесь P - электрическая поляризация, M - намагниченность, E и H - электрическое и магнитное поля. Единица СИ для α - [с / м], которую можно преобразовать в практическую единицу [В / (см Э)] как [с / м] = 1,1 x10.−11 εр [В / (см Э)]. Для единицы СГС [без единицы измерения] = 3 x 108 [s / m] / (4 x π)

Первым материалом, в котором собственный линейный магнитоэлектрический эффект был предсказан теоретически и подтвержден экспериментально, является Cr2О3.[5][6] Это однофазный материал. Мультиферроики являются еще одним примером однофазных материалов, которые могут проявлять общий магнитоэлектрический эффект.[7] если их магнитный и электрический порядки связаны. Композиционные материалы - еще один способ реализации магнитоэлектриков. Там идея состоит в том, чтобы совместить, скажем, магнитостриктор и пьезоэлектрический материал. Эти два материала взаимодействуют посредством деформации, что приводит к взаимосвязи между магнитными и электрическими свойствами составного материала.

Некоторыми многообещающими приложениями ME-эффекта являются чувствительное обнаружение магнитных полей, усовершенствованные логические устройства и настраиваемые микроволновые фильтры.[8]

История

Первый пример магнитоэлектрического эффекта был рассмотрен в 1888 г. Вильгельм Рентген, который показал, что диэлектрический материал, движущийся в электрическом поле, намагничивается.[3] О возможности собственного магнитоэлектрического эффекта в (неподвижном) материале высказал П. Кюри.[9] в 1894 г., а термин «магнитоэлектрик» был введен П. Дебаем.[10] в 1926 г. математическая формулировка линейного магнитоэлектрического эффекта была включена в знаменитую серию книг Л. Д. Ландау и Э. Лифшица по теоретической физике.[4] Только в 1959 г. И. Дзялошинский,[5] используя элегантный аргумент симметрии, вывели форму линейной магнитоэлектрической связи в Cr2О3Экспериментальное подтверждение пришло всего несколько месяцев спустя, когда эффект впервые наблюдал Д. Астров.[6] Общий ажиотаж, последовавший за измерением линейного магнитоэлектрического эффекта, привел к организации серии конференций MEIPIC (Явления магнитоэлектрического взаимодействия в кристаллах). Между предсказанием И. Дзялошинского и первым изданием MEIPIC (1973 г.) было обнаружено более 80 линейных магнитоэлектрических соединений. В последнее время технический и теоретический прогресс, во многом обусловленный появлением мультиферроидных материалов,[11] вызвало возрождение этих исследований[7] и магнитоэлектрический эффект все еще интенсивно исследуется.[1]

Феноменология

Если связь между магнитными и электрическими свойствами является аналитической, то магнитоэлектрический эффект можно описать расширением свободная энергия как силовой ряд в электрическом и магнитном полях и :[1]

Тогда дифференциация свободной энергии даст электрическая поляризация и намагничивание .Здесь, и - статическая поляризация, соотв. намагничивание материала, тогда как и электрические, соотв. магнитная восприимчивость. Тензор описывает линейный магнитоэлектрический эффект, который соответствует поляризации, линейно индуцированной магнитным полем, и наоборот. Высшие члены с коэффициентами и описывать квадратичные эффекты. Например, тензор описывает линейный магнитоэлектрический эффект, который, в свою очередь, индуцируется электрическим полем.[12]

Возможные члены, появляющиеся в приведенном выше разложении, ограничены симметрией материала. В частности, тензор должен быть антисимметричным под симметрия обращения времени.[4] Следовательно, линейный магнитоэлектрический эффект может возникнуть только в том случае, если симметрия относительно обращения времени явно нарушена, например, явным движением в примере Рентгенса или внутренним магнитным упорядочением в материале. Напротив, тензор может отличаться от нуля в материалах, симметричных с обращением времени.

Микроскопическое происхождение

Существует несколько способов микроскопического возникновения магнитоэлектрического эффекта в материале.

Одноионная анизотропия

В кристаллах спин-орбитальная связь отвечает за одноионный магнитокристаллическая анизотропия который определяет предпочтительные оси для ориентации спинов (например, легкие оси). Внешнее электрическое поле может изменить локальную симметрию, наблюдаемую магнитными ионами, и повлиять как на силу анизотропии, так и на направление легких осей. Таким образом, одноионная анизотропия может связывать внешнее электрическое поле со спинами магнитоупорядоченных соединений.

Симметричное ограничение обмена

Основное взаимодействие между спинами ионов переходных металлов в твердых телах обычно обеспечивается суперобмен, также называемый симметричный обмен. Это взаимодействие зависит от деталей кристаллической структуры, таких как длина связи между магнитными ионами и угол, образованный связями между магнитными ионами и ионами лиганда. В магнитных изоляторах он обычно является основным механизмом магнитного упорядочения и, в зависимости от заполненности орбиталей и валентных углов, может приводить к ферро- или антиферромагнитным взаимодействиям. Поскольку сила симметричного обмена зависит от относительного положения ионов, он связывает ориентацию спина со структурой решетки. Связь спинов с коллективным искажением с чистым электрическим диполем может произойти, если магнитный порядок нарушает симметрию инверсии. Таким образом, симметричный обмен может обеспечить управление магнитными свойствами посредством внешнего электрического поля.[13]

Магнитоэлектрический гетероструктурный эффект, вызванный деформацией

Поскольку существуют материалы, которые связывают деформацию с электрической поляризацией (пьезоэлектрики, электрострикции и сегнетоэлектрики) и которые связывают деформацию с намагниченностью (магнитострикционная /магнитоупругий/ ферромагнитные материалы), можно косвенно связать магнитные и электрические свойства путем создания композитов из этих материалов, которые прочно связаны, так что деформации передаются от одного к другому.[14]

Стратегия тонкой пленки позволяет достичь межфазной мультиферроидной связи через механический канал в гетероструктурах, состоящих из магнитоупругий и пьезоэлектрический компонент.[15] Гетероструктура этого типа состоит из тонкой эпитаксиальной магнитоупругой пленки, выращенной на пьезоэлектрической подложке. Для этой системы приложение магнитного поля вызовет изменение размера магнитоупругий фильм. Этот процесс, называемый магнитострикцией, изменяет условия остаточной деформации в магнитоупругой пленке, которая может передаваться через границу раздела на пьезоэлектрическую подложку. Следовательно, в подложке посредством пьезоэлектрического процесса вводится поляризация.

Общий эффект заключается в том, что поляризацией сегнетоэлектрической подложки манипулируют путем приложения магнитного поля, что является желаемым магнитоэлектрическим эффектом (возможно и обратное). В этом случае интерфейс играет важную роль в передаче откликов от одного компонента к другому, реализуя магнитоэлектрическую связь.[16] Для эффективного соединения требуется высококачественный интерфейс с оптимальным напряженным состоянием. В свете этого интереса для синтеза этих типов тонкопленочных гетероструктур были применены передовые методы осаждения. Было продемонстрировано, что молекулярно-лучевая эпитаксия способна осаждать структуры, состоящие из пьезоэлектрических и магнитострикционных компонентов. Изученные системы материалов включали феррит кобальта, магнетит, SrTiO3, BaTiO3, PMNT.[17][18][19]

Флексомагнитоэлектрический эффект

Сегнетоэлектричество, вызванное магнитным полем, также вызвано неоднородностью[20] магнитоэлектрическое взаимодействие. Этот эффект возникает из-за связи между неоднородными параметрами порядка. Его также называли флексомагнитоэлектрическим эффектом.[21] Обычно это описание с помощью Лифшиц инвариант (т. е. член с постоянной связью).[22] Было показано, что в общем случае кубической гексоктаэдрический кристалл подход четырех феноменологических констант верен.[23] В спиральных мультиферроиках проявляется флексомагнитоэлектрический эффект.[24] или микромагнитные структуры, подобные доменные стены[25] и магнитные вихри.[26][27]

Сегнетоэлектричество, возникшее из микромагнитной структуры, может появиться в любом магнитном материале, даже в центросимметричном.[28] Построение классификации по симметрии доменных границ приводит к определению типа вращения электрической поляризации в объеме любой магнитной доменной границы. Существующая классификация симметрии[29] магнитных доменных стенок применялась для предсказания пространственного распределения электрической поляризации в их объемах.[30][31] Прогнозы почти на все группы симметрии соответствуют феноменологии, в которой неоднородные намагничивание пары с однородными поляризация. Общая синергия между симметрией и феноменология Теория возникает при учете энергетических членов с пространственными производными электрической поляризации.[32]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Фибиг, М. (2005). «Возрождение магнитоэлектрического эффекта». Журнал физики D: Прикладная физика. 38 (8): R123. Bibcode:2005JPhD ... 38R.123F. Дои:10.1088 / 0022-3727 / 38/8 / R01.
  2. ^ «Магнитоэлектрический эффект». Лаборатория многофункциональных ферроидных материалов. Исследование конденсированного состояния. ETH Zürich. Получено 15 июля 2017.
  3. ^ а б Röntgen, W.C. (1888). "Ueber die durch Bewegung eines im homogenen electrischen Felde befindlichen Dielectricums hervorgerufene electrodynamische Kraft". Анна. Phys. (на немецком). 35 (10): 264. Bibcode:1888AnP ... 271..264R. Дои:10.1002 / andp.18882711003.
  4. ^ а б c Ландау, Л .; Лифшиц, Э. (1960). Электродинамика сплошных сред.. Pergamon Press.
  5. ^ а б Дзялошинский И. (1960). «О магнитоэлектрическом эффекте в антиферромагнетиках» (PDF). Ж. Эксп. Теор. Физ. 37: 881.
  6. ^ а б Астров Д. (1960). «Магнитоэлектрический эффект в антиферромагнетиках» (PDF). Сов. Phys. ЖЭТФ. 11: 708.
  7. ^ а б Spaldin, Nicola A .; Фибиг, Манфред (15.07.2005). «Возрождение магнитоэлектрических мультиферроиков». Наука. 309 (5733): 391–392. Дои:10.1126 / science.1113357. ISSN 0036-8075. PMID 16020720.
  8. ^ Nan, C.W .; Бичурин, М.И.; Дун, Шусян; Viehland, D .; Сринивасан, Г. (2008). «Мультиферроидные магнитоэлектрические композиты: историческая перспектива, состояние и направления на будущее» (PDF). Журнал прикладной физики. 103 (3): 031101–031101–35. Bibcode:2008JAP ... 103c1101N. Дои:10.1063/1.2836410.
  9. ^ П. Кюри J. Physique, 3ième série III (1894)
  10. ^ П. Дебай, Z. Phys. 36, 300 (1926)
  11. ^ Spaldin, Nicola A .; Чеонг, Санг Ук; Рамеш, Рамамурти (2010). «Мультиферроики: прошлое, настоящее и будущее» (PDF). Физика сегодня. 63 (10): 38. Bibcode:2010ФТ .... 63дж..38С. Дои:10.1063/1.3502547.
  12. ^ Кардуэлл, М.Дж. (1969). «Измерение магнитной зависимой электрической восприимчивости железо-иттриевого граната». Философский журнал. 20 (167): 1087. Bibcode:1969PMag ... 20.1087C. Дои:10.1080/14786436908228077.
  13. ^ Делани, Крис Т .; Мостовой, Максим; Спалдин, Никола А. (17 апреля 2009 г.). "Сверхобменное магнитоэлектричество в магнитных вихрях". Письма с физическими проверками. 102 (15): 157203. arXiv:0810.0552. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.157203. PMID 19518672.
  14. ^ Newacheck, Скотт; Вебстер, Тейлор; Юсеф, Джордж (2018-10-22). «Влияние разнонаправленных подмагничивающих магнитных полей на обратный магнитоэлектрический отклик мультиферроика концентрического композитного кольца». Письма по прикладной физике. 113 (17): 172902. Bibcode:2018АпФЛ.113q2902Н. Дои:10.1063/1.5050631. ISSN 0003-6951.
  15. ^ Сринивасан, Г. (2002). «Магнитоэлектрические эффекты в бислоях и мультислоях магнитострикционных и пьезоэлектрических оксидов перовскита». Phys. Ред. B. 65 (13): 134402. Bibcode:2002ПхРвБ..65м4402С. Дои:10.1103 / Physrevb.65.134402.
  16. ^ Скотт, Дж. Ф. (2007). «Хранение данных: мультиферроидная память» (PDF). Материалы Природы. 6 (4): 256–257. Bibcode:2007НатМа ... 6..256с. Дои:10.1038 / nmat1868. PMID 17351613.
  17. ^ Xie, S .; Cheng, J .; и другие. (2008). «Межфазная структура и химия эпитаксиальных тонких пленок CoFe [sub 2] O [sub 4] на подложках SrTiO [sub 3] и MgO». Appl. Phys. Латыш. 93 (18): 181901–181903. Bibcode:2008АпФЛ..93r1901X. Дои:10.1063/1.3006060.
  18. ^ Bibes, M .; Бартелеми, А. (2008). «Мультиферроики: к магнитоэлектрической памяти». Материалы Природы. 7 (6): 425–426. Bibcode:2008НатМа ... 7..425Б. Дои:10.1038 / nmat2189. PMID 18497843.
  19. ^ Yang, J. J .; Zhao, Y.G .; и другие. (2009). «Манипуляции с электрическим полем намагниченности при комнатной температуре в мультиферроике CoFe [sub 2] O [sub 4] / Pb (Mg [sub 1/3] Nb [sub 2/3]]» [sub 0.7] Ti [sub 0.3] O [ sub 3] гетероструктуры ». Письма по прикладной физике. 94 (21): 212504. Bibcode:2009ApPhL..94u2504Y. Дои:10.1063/1.3143622.
  20. ^ Баряхтар, В.Г .; Львов, В.А .; Яблонский, Д.А. (1983). «Обращение спина в 180-доменных стенках спин-флоп-фазы антиферромагнетиков с осью легкости». JETP Lett. 37 (12): 673–675. Bibcode:1983JETPL..37..673B.
  21. ^ Пятаков, А.П .; Звездин, А. (2009). «Флексомагнитоэлектрическое взаимодействие в мультиферроиках». Евро. Phys. J. B. 71 (3): 419–427. Bibcode:2009EPJB ... 71..419P. Дои:10.1140 / epjb / e2009-00281-5.
  22. ^ Мостовой, М. (2006). «Сегнетоэлектричество в спиральных магнитах». Phys. Rev. Lett. 96 (6): 067601. arXiv:cond-mat / 0510692. Bibcode:2006ПхРвЛ..96ф7601М. Дои:10.1103 / Physrevlett.96.067601. PMID 16606047.
  23. ^ Таныгин, Б. (2011). «О свободной энергии флексомагнитоэлектрических взаимодействий». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 323 (14): 1899–1902. arXiv:1105.5300. Bibcode:2011JMMM..323.1899T. Дои:10.1016 / j.jmmm.2011.02.035.
  24. ^ Kimura, T .; и другие. (2003). «Магнитный контроль поляризации сегнетоэлектрика». Природа. 426 (6962): 55–58. Bibcode:2003Натура 426 ... 55K. Дои:10.1038 / природа02018. PMID 14603314.
  25. ^ Логгинов, А.С .; Мешков, Г.А .; Николаев, А.В .; Николаева, Э.П .; Пятаков, А.П .; Звездин, А. (2008). «Магнитоэлектрический контроль микромагнитной структуры пленок феррита-граната при комнатной температуре». Письма по прикладной физике. 93 (18): 182510. Bibcode:2008АпФЛ..93р2510Л. Дои:10.1063/1.3013569.
  26. ^ Пятаков, А.П .; Мешков, Г.А. (2010). «Электрически стабилизированные магнитные вихревые и антивихревые состояния в магнитных диэлектриках». Вестник Московского университета.. 65 (4): 329–331. arXiv:1001.0391. Bibcode:2010arXiv1001.0391P. Дои:10.3103 / S0027134910040156.
  27. ^ Пятаков, А.П .; Мешков, Г.А .; Звездин, А. (2012). «Электрическая поляризация магнитных текстур: новые горизонты микромагнетизма». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 324 (21): 3551–3554. arXiv:1211.2403. Bibcode:2012JMMM..324.3551P. Дои:10.1016 / j.jmmm.2012.02.087.
  28. ^ Дзялошинский И. (2008). «Магнитоэлектричество в ферромагнетиках». EPL. 83 (6): 67001. Bibcode:2008EL ..... 8367001D. Дои:10.1209/0295-5075/83/67001.
  29. ^ Баряхтар, В .; Львов, В .; Яблонский Д. (1984). «Магнитная симметрия доменных границ в магнитоупорядоченных кристаллах». Сов. Phys. ЖЭТФ. 60 (5): 1072–1080.
  30. ^ Баряхтар, В.Г .; Львов, В.А .; Яблонский, Д.А. (1984). «Глава 2 - Теория электрической поляризации доменных границ в магнитоупорядоченных кристаллах». В Прохоров, А.М .; Прохоров, А. (ред.). Проблемы физики твердого тела. Москва, RU: Издательство «Мир». С. 56–80.
  31. ^ Таныгин, Б. (2011). «Теория симметрии флексомагнитоэлектрического эффекта в магнитных доменных границах». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 323 (5): 616–619. arXiv:1007.3524. Bibcode:2011JMMM..323..616T. Дои:10.1016 / j.jmmm.2010.10.028.
  32. ^ Таныгин, Б. (2010). «Неоднородный магнитоэлектрический эффект на дефект в мультиферроидном материале: прогноз симметрии». Материаловедение и инженерия. Серия конференций IOP. 15 (15): 012073. arXiv:1007.3531. Bibcode:2010MS & E ... 15a2073T. Дои:10.1088 / 1757-899x / 15/1/012073.