Д-р Ал-ов
 
Предисловие автора. В этой статье речь пойдёт о новых (а точнее, хорошо забытых старых) материалах, интерес к которым резко возрос в последнее время в связи с надеждами спинтроников успешно применить их в своих разработках, прежде всего, для создания на их основе устройств магнитной памяти. Эти надежды вызвали бурный всплеск научных исследований, в том числе и синтеза новых материалов с соответствующими свойствами. Однако, мне кажется, что эти материалы могут оказаться полезными и в других областях, поэтому изобретатели должны быть о них осведомлены.
Мультиферроики
Мультиферроиками (или сегнетомагнетиками в советской литературе) называют материалы, в которых сосуществуют одновременно два и более типов «ферро» упорядочения: ферромагнитное, сегнетоэлектрическое и сегнетоэластичность. Впервые предположение о возможности сосуществования магнитного и электрического порядка в одном кристалле было сделано Пьером Кюри, теоретически показавшем, что в кристаллах с определённой симметрией могут одновременно существовать магнитное и электрическое упорядочения.
Экспериментально такие соединения были обнаружены в середине XX века и названы сегнетомагнетиками. В 1958 году группа ленинградских физиков во главе с Г.А. Смоленским в Физико-Техническом институте им. А.Ф. Иоффе обнаружила ряд сегнетоэлектриков со структурой перовскита и значительным содержанием ионов железа. Последнее обстоятельство дало основание надеяться, что эти соединения могут быть одновременно сегнетоэлектриками и ферро(антиферро)магнетиками.
В 1961 году был получен первый образец поликристалла Pb(Fe2/3W1/3)O3, соеднивший в себе сегнетоэлектрическое и антиферромагнитное упорядочения. Название «мультиферроики» закрепилось после обзорной статьи Ганса Шмидта с соответствующим названием. Стоит заметить, что если термин «сегнетомагнетики» означал сосущестование ферро(антиферро-)магнитного и сегнетоэлектрического порядка, то термин «мультиферроики», в принципе, более общий и обозначает сосущестование любых двух «ферро» упорядочений (например, сегнетоэластичности). В течение длительного времени мультиферроики являлись узкой и не слишком популярной областью исследования, однако с начала XXI века интерес к ним значительно возрос, так как выяснилось, что мультиферроики потенциально очень важны для будущего магнитного хранения данных и спинтронных устройств, предоставляя простой и быстрый способ изменения своих электрических и магнитных свойств. Такие материалы замечательны тем, что их электрическими свойствами можно управлять с помощью магнитного воздействия и наоборот, что можно использовать для создания устройств хранения информации со сверхвысокой плотностью записи. Кроме того, они могут использоваться в качестве чувствительных магнитных датчиков, в микроволновых устройствах передачи информации и многих других приложениях.
Пока что их применение ограничивает то, что мультиферроики, существующие в природе, не могут проявлять одновременно напряжённость электрического поля и степень намагниченности, достаточные для промышленного использования. По этим параметрам все до сих пор известные искусственно созданные или природные вещества уступают сегнетоэлектрикам и ферромагнетикам в тысячу раз.
Но так было, пока исследования мультиферроиков представляли чисто академический интерес. Как правило, для создания новых мультиферроиков чаще всего использовали так называемый композитный подход – брали ферромагнетики и ферроэлектрики, «смешивали» их и изготавливали таким образом композитные материалы со свойствами мультиферроиков.
Всё изменилось, как только появилась возможность их применения в бурно развивающейся и хорошо финансируемой области – группа исследователей под руководством Дэррела Шлома из Корнельского университета в США уже разработала новый подход к созданию подобных материалов.
Базируясь на собственной теории таких материалов, группа Шлома для своей работы использовала материалы, изначально не обладающие ни магнитными, ни сегнетоэлектрическими свойствами, выяснив с помощью моделирования, что добиться получения нужного эффекта можно, немного растянув или сжав кристаллическую решётку. В своей работе исследователи продемонстрировали успешность такого подхода экспериментально на примере титаната европия EuTiO3.
Добиться нужного растяжения можно, выращивая тонкую плёнку материала EuTiO3 на поверхности другого вещества, имеющего такую же кристаллическую решетку с немного большими расстояниями между атомами. Нарастающая поверх этой структуры плёнка титаната европия будет стремиться подогнать расстояния между атомами своей кристаллической решётки под расстояния в «подложке», что и создаст необходимое механическое напряжение и растяжение кристаллической структуры титаната европия.
Подходящим для EuTiO3 соединением оказался скандат диспрозия DyScO3. Вырастив на его поверхности с помощью стандартных для настоящего времени химических методик тонкую плёнку титаната европия толщиной всего несколько нанометров, исследователи сумели убедиться, что материал проявляет одновременно сильные сегнетоэлектрические и ферромагнитные свойства, сравнимые со свойствами материалов, проявляющих эти свойства по отдельности. При этом растяжение кристаллической решётки EuTiO3 составляет всего 1%.
Полученный ими материал проявляет свойства мультиферроика при температуре всего на четыре градуса выше температуры абсолютного нуля (минус 269 градусов Цельсия), но лиха беда начало. Синтроники сейчас «землю роют» и наверняка много чего «нароют».
А вот тогда эти новые материалы можно будет применить и для разного рода электромагнитных клапанов, расходующих энергию только на переключение, магнитных усилителей с высоким входным сопротивлением и т.д.

В оглавление