В симметричном кристалле обнаружен неизученный магнитоэлектрический эффект

Магнетизм и электричество связаны между собой множеством научных способов, включая магнитоэлектрический эффект. Эффект проявляется в некоторых кристаллах, когда на электрические свойства кристалла может влиять магнитное поле, и наоборот.

Теперь все стало еще более странным, потому что ученые открыли совершенно новый магнитоэлектрический эффект в симметричном кристалле — и он невозможен.

Эффект был обнаружен в кристалле особого типа, называемом лангаситом, который состоит из лантана, галлия, кремния и кислорода, а также атомов гольмия.

Важно отметить, что этот конкретный кристалл имеет симметричную структуру, которая, как считается, исключает возможность связи между магнетизмом и электричеством.

«Связаны ли электрические и магнитные свойства кристалла или нет, зависит от внутренней симметрии кристалла», — говорит физик Андрей Пименов из Венского технологического университета (TU Wien) в Австрии.

«Если кристалл обладает высокой степенью симметрии, например, если одна сторона кристалла является в точности зеркальным отображением другой стороны, то по теоретическим причинам магнитоэлектрического эффекта быть не может».

В данном случае все было по-другому: симметричный кристалл не только произвел магнитоэлектрический эффект, это был тип эффекта, невиданного ранее.

Ученые говорят, что в то время как симметрия сохранялась в геометрическом смысле, магнетизм атомов гольмия нарушил симметрию, создав эффект, который перешел в область квантовой физики.

Этот разрыв означал, что поляризация возможна, когда положительные и отрицательные заряды в кристалле слегка смещаются.

Это легко сделать с помощью электрического поля, но с лангаситом это можно было бы сделать и с помощью магнитного поля, и ключевым моментом оказалась сила магнитного поля.

«Кристаллическая структура настолько симметрична, что фактически не должна допускать какого-либо магнитоэлектрического эффекта», — говорит Пименов. «А в случае слабых магнитных полей действительно нет никакой связи с электрическими свойствами кристалла».

«Но если мы увеличим силу магнитного поля, произойдет нечто удивительное: атомы гольмия изменят свое квантовое состояние и приобретут магнитный момент. Это нарушит внутреннюю симметрию кристалла».

В то время как лангасит показал линейную зависимость между поляризацией и напряженностью магнитного поля, что является нормальным явлением, связь между поляризацией и направлением магнитного поля вовсе не была нормальной — она ​​была сильно нелинейной.

Это совершенно новый аспект, что даже небольшое изменение вращения магнитного поля может вызвать большое изменение эффекта электрической поляризации.

Следующий шаг для исследователей — посмотреть, работает ли этот недавно открытый эффект и в обратном направлении, изменяя магнитные свойства электрическим полем.

Это может показаться сложной физикой — и это так, — но существуют реальные приложения с точки зрения сохранения и хранения компьютерных данных. Магнитоэлектрический эффект также важен для различных типов сенсорных технологий.

«В магнитных запоминающих устройствах, таких как жесткие диски компьютеров, сегодня необходимы магнитные поля, — говорит Пименов.

«Они генерируются с помощью магнитных катушек, что требует относительно большого количества энергии и времени. Если бы существовал прямой способ переключать магнитные свойства твердотельной памяти с помощью электрического поля, это было бы прорывом».

Исследование опубликовано в журнале NPJ Quantum Materials.