Определение мультиферроиков

Мультиферроики — это класс материалов, в которых одновременно проявляются два или более типов ферроических упорядочений: ферромагнетизм, ферроэлектричество и ферроэластичность. Эти материалы привлекают внимание как фундаментальной науки, так и прикладной физики, поскольку их свойства открывают возможности для создания новых функциональных устройств, включая сенсорные системы, энергонезависимую память и электронные компоненты следующего поколения.

  • Ферромагнетизм — упорядочивание магнитных моментов атомов или ионов в кристалле в одном направлении, создающее макроскопическое магнитное поле.
  • Ферроэлектричество — спонтанное выравнивание электрических дипольных моментов, которое может быть изменено внешним электрическим полем.
  • Ферроэластичность — наличие спонтанной деформации кристаллической решётки, которую можно изменить механическим воздействием.

Ключевым отличием мультиферроиков является взаимодействие этих упорядочений между собой, что часто проявляется в форме магнитно-электрического эффекта — способность изменять магнитные свойства под действием электрического поля и наоборот.

Классификация мультиферроиков

Мультиферроики классифицируются по различным признакам:

  1. По типу упорядочений:

    • Двухкомпонентные мультиферроики — сочетание двух ферроических состояний, например, ферроэлектричество + ферромагнетизм.
    • Трёхкомпонентные мультиферроики — наличие всех трёх типов ферроических состояний.

  2. По происхождению ферроических свойств:

    • Тип-I мультиферроики — ферроэлектрическое и ферромагнитное упорядочения возникают независимо. Пример: BiFeO₃.
    • Тип-II мультиферроики — одно из упорядочений индуцируется другим (например, ферроэлектричество возникает за счёт неколлинеарного магнитного порядка).

  3. По кристаллической структуре:

    • Перовскитные структуры (ABO₃) — наиболее изученные и часто используемые мультиферроики.
    • Гексагональные, спинельные и другие структуры, обладающие специфическими ферроическими свойствами.

Физические механизмы мультиферроичности

Ферроические упорядочения в мультиферроиках обусловлены различными фундаментальными взаимодействиями:

  1. Обменное взаимодействие — отвечает за ферромагнитное или антиферромагнитное упорядочение спинов.
  2. Электростатическое взаимодействие диполей — ключевой фактор ферроэлектрических состояний.
  3. Спин-орбитальное взаимодействие — играет роль в создании неколлинеарного магнитного порядка, который может индуцировать ферроэлектрический момент.
  4. Структурные деформации решётки — ферроэластичность и связь с магнитными и электрическими упорядочениями через магнитоэлектрический эффект.

Магнитоэлектрическая связь определяется как способность материала изменять магнитную намагниченность под действием электрического поля и наоборот. Она является ключевым феноменом для приложений мультиферроиков в спинтронике и энергонезависимой памяти.

Критерии идентификации мультиферроиков

Для того чтобы материал был признан мультиферроиком, он должен удовлетворять следующим условиям:

  1. Наличие хотя бы двух ферроических состояний одновременно при определённых температурных условиях.
  2. Возможность манипуляции одним упорядочением через другое, что демонстрирует магнитоэлектрический эффект.
  3. Структурная стабильность ферроических фаз в широком диапазоне температур и полей.

Экспериментально мультиферроичность подтверждается с помощью:

  • Магнитометрии (измерение намагниченности),
  • Диэлектрических измерений (для выявления ферроэлектрического порядка),
  • Рентгеновской и нейтронной дифракции (для изучения кристаллической структуры и упорядочения спинов),
  • Пьезоэлектрических и механических тестов (для обнаружения ферроэластичности).

Примеры известных мультиферроиков

  • Bismuth Ferrite (BiFeO₃) — наиболее известный комнатно-температурный мультиферроик, обладающий одновременно ферроэлектричеством и антиферромагнетизмом.
  • TbMnO₃ и DyMnO₃ — мультиферроики типа II, где ферроэлектрический момент индуцирован сложной магнитной спиралью.
  • YMnO₃ — гексагональный мультиферроик с сильной ферроэлектрической поляризацией, слабым магнитным упорядочением и ярко выраженной структурной анизотропией.

Эти материалы демонстрируют широкий спектр физических феноменов и служат модельными системами для исследования фундаментальных механизмов взаимодействия ферроических состояний.

Значение мультиферроиков в науке и технике

Мультиферроики интересны не только с точки зрения фундаментальной физики, но и в контексте прикладных технологий:

  • Энергетика — сенсорные устройства, преобразователи энергии.
  • Информационные технологии — энергонезависимая память, элементы спинтроники.
  • Наноэлектроника — создание функциональных тонкоплёночных структур с управляемыми магнитоэлектрическими свойствами.

Их уникальные свойства позволяют создавать устройства, где электрическое поле управляет магнитным состоянием, или магнитное поле — электрическим, что невозможно в классических материалах с отдельными ферроическими фазами.

Оглавление