Fyzikální ústav Akademie věd ČR

V těchto materiálech lze očekávat vliv magnetického pole na dielektrické vlastnosti a opačně (magnetoelektrický jev), což je nyní v popředí zájmu nejen pro atraktivní a zatím nepochopenou fyziku magnetoelektrické vazby, ale i pro své obrovské potenciální užití v technické praxi. Pokud by se podařilo přemagnetovávat magnetické domény elektrických polem, umožnilo by to konstrukci zcela nových pamětí RAM. Takové paměti byly již skutečně pokusně zkonstruovány, ale pracují jen při nízkých teplotách 80 K. Zatím neexistuje magnetoelekrické multiferoikum, které by vykazovalo dostatečně silnou magnetoelekrickou vazbu nad pokojovou teplotu. Pro navržení nových materiálů je však potřeba nejdříve pochopit podstatu magnetoelektrické vazby. Proto jsme studovali infračervenou odezvu polárních fononů a permitivitu ve vysokoteplotní magnetoferoelektrické keramice BiFeO₃ s perovskitovou strukturou v závislosti na teplotě. Bylo ukázáno, že feroelektrický přechod u 1100 K je způsoben měkkým polárním fononem tj. nízkofrekvenčním kmitem mřížky svázaným s dipólovým momentem. Zároveň byl v nízkofrekvenční permitivitě BiFeO₃ pozorován silný magnetoelektrický jev. Ukázali jsme však, že se jedná o nevlastní (extrinsický) jev způsobený rozdílnou magnetorezistencí v hranicích zrn a jejich objemu při teplotách nad 200 K. Při nižších teplotách magnetoelektrický efekt prakticky mizí. BiFeO₃ keramika tedy není vhodná pro konstrukci magnetoelektrických pamětí. Podrobnosti viz Kamba a kol., Phys. Rev. B 75, 024403 (2007). V případě jiného perovskitového multiferoika EuTiO₃ bylo vysvětleno pozorované kvantově-paraelektrické chování (výrazný vzrůst permitivity s ochlazováním a její saturace pod 30 K) měknutím polárního fononu (vibrace magnetického iontu Eu). Pod teplotou antiferomagnetického přechodu (5.5 K) dochází k výraznému poklesu permitivity, ale s magnetickým polem permitivita naopak stoupá (viz. obr. 3). To lze vysvětlit změnou frekvence měkkého fononu s magnetickým polem, což se nám nedávno skutečně (jako první laboratoři na světě) podařilo pozorovat. Podrobnosti viz. Kamba a kol., Europhys. Lett. 80, 27002 (2007) a Goian a kol., Eur. Phys. J. B 71, 429 (2009).

Teplotní závislost permittivity magnetoelektrického EuTiO₃ při různých magnetických polích. Změna permitivity s magnetickým pole je způsobena posuvem frekvence polárního fononu s magnetickým polem.

Ve spolupráci s Hebrejskou univerzitou v Jeruzalémě byla studována akustická emise v PbFe_2/3W_1/3O₃-PbTiO₃. Tento materiál je zároveň feroelektrický i antiferomagnetický. Metoda akustické emise umožnila pozorovat nejen vznik polárních klastrů při vysokých teplotách a vznik feroelektrické fáze, ale poprvé se touto metodou zaznamenaly i teploty magnetických fázových přechodů. To umožnilo určit magnetický fázový diagram tohoto směsného keramického systému. Detaily viz. Dulkin a kol., J. Appl. Phys. 103, 083542 (2008). D

Navrhli jsme jak využít klasických experimentálních metod fyziky pevných látek k potvrzení teorií o narušení CP (charge and parity) symetrie částic ve vesmíru. Z těcto teorií, vysvětlujících např. proč je více hmoty než antihmoty, vyplývá, že by částice jako elektron, neutron atd měly mít stálý elektrický dipólový moment. Tento dipólový moment by měl být podle standartního modelu velmi malý (~10-40 e.cm u elektronu), jiné teorie (např. supersymetrický model) však předpovídají tento moment mnohem větší (~10-28 e.cm). I tato hodnota je však zatím pod hranicí dnešních experimentálních metod, proto dipólový moment částic zatím nebyl nikdy pozorován. Orientaci dipólmomentu elektronu by mělo být možné ovlivňovat vnějším elektrickým polem a protože dipólový moment by měl být svázaný se spinem elektronu, měla by se pozorovat změna magnetizace se změnou vnějšího elektrického pole. Dosavadní hledání dipólového momentu elektronu nebyla nikdy uspěšná, protože bylo obtížné aplikovat dostatečně silné elektrické pole. Vzorky musely být elektricky nevodivé, ale přesto v nich docházelo k elektrickému průrazu ve vysokých elektrických polích. Tým z FZU (společně se spolupracovníky z Výzkumného centra v Julichu, z Kalifornské, Yale a Karlovy univerzity jakož i z České geologické služby) navrhl použít k hledání elektrického dipólového momentu elektronu nevodivý magnetický materiál Eu_0.5Ba_0.5TiO₃, který je navíc feroelektrický, tj. vykazuje elektrickou polarizaci, která se dá relativně jednoduše ovlivňovat a dokonce přepínat vnějším elektrickým polem. Vlivem feroelektrické polarizace Eu_0.5Ba_0.5TiO₃ působí na sedm nespárovaných spinů v každém magnetickém Eu iontu obrovské vnitřní elektrické pole, které je o tři řády vyšší než obvyklé vnější aplikovatelné elektrické pole. Směr tohoto pole se dá přepínat a tudíž by v tomto materiálu mělo docházet i k přetáčení elektrického a magnetického momentu elektronů. V důsledku toho by mělo být možné pozorovat lineární změnu magnetizace vzorku s vnějším elektrickým polem. Pro dosažení optimální citlivosti (~10-28 e.cm), která by měla být minimálně o jeden řád lepší než dosud používané metody, je nutné provádět tato měření při teplotě kapalného hélia (4.2 K). Pražská skupina z Fyzikálního ústavu připravila keramický Eu_0.5Ba_0.5TiO₃. Zjistila, že je feroelektrický a antiferomagnetický, určila i jeho krystalovou strukturu v paraelektrické i feroelektrické fázi. Demonstrovala, že je možné v tomto vzorku měnit směr elektrické polarizace nejen při vysokých, ale i při nízkých teplotách blízko 4 K, a proto je tento materiál vhodný pro hledání stálého elektrického dipólového momentu elektronu. Pro jeho potvrzení je ještě třeba nalézt lineární změnu magnetizace s elektrickým polem. Tato magnetoelektrická měření probíhají nyní na univerzite v Yale (USA). Využívá se k nim vysoce citlivý supravodivý kvantový interferometer (anglicky SQUID). Předběžné výsledky byly publikovány v prestižním časopise Nature Materials, preprint je možné nalézt na cond-mat serveru http://xxx.lanl.gov/ pod adresou arXiv:1002.0376v2. (webová adresa http://xxx.lanl.gov/PS_cache/arxiv/pdf/1002/1002.0376v2.pdf). Náš tým nedávno publikoval společně s řadou amerických spolupracovníků ještě jiný článek v časopisu Nature. Teoreticky je v něm navrženo a také experimentálně potvrzeno, jak uměle vytvořit z antiferomagnetického a neferoelektrického EuTiO₃ silný feromagnet a feroelektrikum. Využívá se k tomu mechanické napětí v ultratenkých vrstvách, které vzniká od podložek, na kterých jsou vrstvy narostlé. Takovéto multiferoické nanovrstvy by měly vykazovat obrovskou vazbu mezi magnetizací a elektrickou polarizací, díky čemuž by mělo jít přemagnetovávat daný vzorek pomocí elektrického pole. Tento jev by se dal využít v budoucích stálých elektronických pamětech, kde by docházelo k magnetickému zápisu pomocí elektrického pole. Takového paměti by měly mimo jiné nahradit stávající flash paměti, které všichni známe z fotoaparátů, kamer atd. Multiferoických materiálů, tj. materiálů které jsou zároveň magnetické i feroelektrické a které vykazují silmou magnetoelektrickou vazbu, je v přírodě velmi málo a fungují prakticky jen při nízkých teplotách. Tento článek z časopisu Nature ukazuje nové možnosti jak připravovat uměle nová multiferoika, které v přírodě v objemové formě neexistují. Pomocí mechanického napětí indukovaného podložkou je tak možné získat multiferoika, které by měly fungovat nad pokojovou teplotou.