Мультиферроики

Мультиферроиками называют класс материалов, в которых одновременно сосуществуют два или более порядка, связанных с различными типами коллективного упорядочения: ферромагнитный, ферроэлектрический и ферроупругий (ферроэластический). Наиболее интересным и изучаемым является сочетание ферроэлектричества и ферромагнетизма, поскольку оно открывает возможность прямого управления магнитным состоянием электрическим полем и, наоборот, электрической поляризации магнитным полем.

С точки зрения симметрии, наличие таких совместных порядков в одном материале является редкостью, так как условия возникновения ферроэлектричества и ферромагнетизма часто противоречат друг другу. Ферроэлектричество требует ионных смещений и, как правило, наличие d^0 конфигурации на переходном металле, тогда как магнетизм связан с наличием частично заполненных d- или f-орбиталей. Поэтому поиск и исследование мультиферроиков представляет собой особую область физики конденсированного состояния.

Классификация мультиферроиков

Мультиферроики условно делят на тип-I и тип-II:

  1. Мультиферроики тип-I

    • В таких материалах ферроэлектрический и магнитный порядки имеют различное происхождение и формируются независимо.
    • Обычно температура перехода в ферроэлектрическое состояние значительно выше температуры магнитного упорядочения.
    • Примеры: BiFeO₃, YMnO₃.
    • Отличаются высокой температурой ферроэлектрического перехода, но сравнительно слабым магнитоэлектрическим взаимодействием.

  2. Мультиферроики тип-II

    • Ферроэлектрический порядок возникает как следствие магнитного порядка.
    • Электрическая поляризация в этом случае индуцируется несимметричной магнитной структурой (например, спиральным или циклойдальным магнитным порядком).
    • Примеры: TbMnO₃, Ni₃V₂O₈.
    • Здесь наблюдается сильная связь между электрическими и магнитными свойствами, однако температуры переходов обычно невысоки.

Симметрия и механизмы мультиферроичности

Возникновение мультиферроичности связано с особенностями симметрии кристаллической решётки:

  • Ферроэлектричество требует отсутствия центра инверсии.
  • Ферромагнетизм требует нарушения симметрии времени (различие направлений спинов при инверсии времени).

Таким образом, материал, обладающий обоими порядками, должен одновременно нарушать пространственную и временную симметрию.

Основные механизмы:

  • Дислокационный механизм (lone pair effect): поляризация возникает благодаря наличию «свободных» электронных пар (например, в Bi³⁺ в BiFeO₃).
  • Джахновская нестабильность: ионные смещения, вызванные электронными вырожденными состояниями.
  • Спиральные магнитные структуры: ферроэлектричество индуцируется неколлинеарным магнитным порядком, где возникает перенос электронного заряда между соседними магнитными ионами.
  • Обменный стрикцион (exchange striction): поляризация формируется вследствие изменения межатомных расстояний под действием магнитного обменного взаимодействия.

Основные представители мультиферроиков

  • BiFeO₃ (висмут феррит): Является одним из немногих мультиферроиков с высокой температурой перехода как в ферроэлектрическое (~1100 К), так и в антиферромагнитное (~640 К) состояния. Обладает значительным потенциалом для практических приложений.

  • YMnO₃ (иттриевый манганит): Ферроэлектричество связано с особенностями структуры типа гексагонального перовскита. Температура ферроэлектрического перехода порядка 900 К, магнитное упорядочение наступает при гораздо более низких температурах (~70 К).

  • TbMnO₃ (тербий манганит): Типичный мультиферроик типа-II, в котором электрическая поляризация появляется при переходе в неколлинеарное магнитное состояние при низких температурах (~30 К).

Магнитоэлектрическое взаимодействие

Ключевой особенностью мультиферроиков является магнитоэлектрический эффект – взаимное влияние электрических и магнитных порядков.

  • Прямой эффект: электрическое поле изменяет магнитное состояние материала.
  • Обратный эффект: магнитное поле вызывает изменение электрической поляризации.

Фундаментальное выражение этого взаимодействия задаётся через тензор магнитоэлектрического коэффициента:

Pi = αijHj,  Mi = αijEj,

где Pi — компонента поляризации, Mi — компонента намагниченности, Ej и Hj — электрическое и магнитное поля соответственно, αij — тензор магнитоэлектрического взаимодействия.

Теоретическое описание

Математическое описание мультиферроиков строится на основе теории Ландау, где свободная энергия записывается как функционал от параметров порядка:

F = F0 + aP2 + bP4 + cM2 + dM4 + γPM + …

Здесь P — электрическая поляризация, M — магнитный порядок, а γPM — член, описывающий взаимодействие между ними. Наличие ненулевого коэффициента γ является условием существования магнитоэлектрического эффекта.

Современные направления исследований

  1. Тонкоплёночные мультиферроики: получение эпитаксиальных плёнок с контролируемой анизотропией и управляемым интерфейсом.
  2. Гетероструктуры: комбинация различных материалов для усиления магнитоэлектрического эффекта.
  3. Искусственные мультиферроики: создание композитов, где магнитный и электрический порядки сосуществуют за счёт комбинации фаз, а не в одной кристаллической структуре.
  4. Топологические мультиферроики: поиск систем, в которых мультиферроичность связана с топологическими эффектами (например, скиримионные фазы).
  5. Высокотемпературные мультиферроики: поиск материалов, обладающих мультиферроичностью при комнатной температуре для практического применения.

Потенциальные применения

  • Новые типы памяти: мультиферроики позволяют создавать устройства с электрическим управлением магнитными состояниями, что перспективно для энергоэффективных носителей информации (FeRAM, MRAM).
  • Спинтроника: использование мультиферроиков для управления спиновыми токами.
  • Сенсоры и актуаторы: благодаря высокой чувствительности к внешним полям мультиферроики могут использоваться в устройствах управления и преобразования сигналов.
  • Нанотехнологии: исследуется возможность создания мультиферроических наноструктур с уникальными свойствами для квантовых и информационных технологий.
Оглавление