Los fenómenos y procesos físicos están presentes en todo lo que nos rodea (también los químicos, pero no sobre ellos hoy). Siéntese en la computadora - física, mire por la ventana a los pajaritos - física, sobreexpuso la carne al fuego, y se convirtió en carbón, esto también es física. Desde los objetos gigantes hasta los más pequeños del Universo, en todas partes hay diversas manifestaciones de la física: propiedades, características, fenómenos y procesos. ¿Y qué quieren obtener muchos científicos, sabiendo casi todo sobre un proceso? Por supuesto, control. El control de los procesos físicos puede dar muchas ventajas útiles, pero el logro de este control es un proceso muy complejo, a menudo asociado con algo que no está completamente claro. Hoy consideraremos un estudio en el que un grupo de científicos decidió demostrar las capacidades del efecto magnetoeléctrico (ME), o más bien cómo obtener el control sobre la orientación y el orden magnéticos por medio de un campo eléctrico a temperatura ambiente. ¿Cómo se realiza esto exactamente, qué se obtiene de esto y cuáles son las perspectivas? Las respuestas, como siempre, nos esperan en el informe del grupo de investigación. Vamos
Base de estudio
Como ya se mencionó en el prólogo, todo y todo en este estudio se basa en el efecto magnetoeléctrico (EM). Entonces que es? El efecto ME es la relación entre el magnetismo y el campo eléctrico: polarización eléctrica en un campo magnético externo o magnetización en un campo magnético externo. Uno refuerza al otro. Lo interesante, pero muy exigente en términos de temperatura. En la mayoría de los materiales monocristalinos con un efecto ME, la temperatura de Curie es bastante baja, es decir, este efecto se manifiesta solo a temperaturas significativamente más bajas que la temperatura ambiente. Y esto limita enormemente la aplicación práctica del efecto ME, a pesar de toda su utilidad.
Este inconveniente molesto puede corregirse utilizando materiales no monoestructurados, es decir, que consisten en una sustancia, sino compuestos de varios, más precisamente de ferritas y piezoeléctricos. Las ferritas son muy sensibles desde un punto de vista magnético a un campo eléctrico externo.
Los investigadores mismos lo saben de primera mano y dan un ejemplo de un compuesto de Fe ferromagnético (hierro) y BaTiO
3 (titanato de bario, BTO), que es tanto ferroeléctrico como ferroelástico (SC).
La ferroelectricidad (o ferroelectricidad) * es la ocurrencia de polarización espontánea en un cristal a cierta temperatura, incluso sin un campo eléctrico externo.
Y el ferroelástico se llama sustancias monocristalinas, cuya red cristalina puede deformarse espontáneamente con la disminución de la temperatura y la transición de fase.
Además, los investigadores quieren obtener el control no solo de toda la heteroestructura en su conjunto, por así decirlo, sino también de las nanoestructuras y nanopartículas individuales. Y eso puede ser útil en un estudio reciente sobre el control sobre el campo eléctrico de las nanopartículas de Ni super-paramagnéticas, ya que esto permite manipular el magnetismo a escala nanométrica al afectar la anisotropía magnetoelástica de un voltaje variable.
En este trabajo, los científicos decidieron estudiar el efecto ME con más detalle analizando las estructuras de dominio magnético de una película nanocristalina de Fe cultivada en un sustrato BaTiO
3 (5x5 mm, 0,5 mm de espesor). Según los científicos, pudieron demostrar que las partículas superparamagnéticas pueden exhibir las propiedades de un estado superferromagnético a temperatura ambiente, y esto se debe al efecto de un campo eléctrico en la anisotropía magnetoelástica.
A temperatura ambiente, la red cristalina BTO es tetragonal (c = 4. 036 Å, a = b = 3.992 Å). La polarización de un cristal FE siempre se dirige a lo largo del eje
c . Además, las regiones FE a1-a2 con dominios en los que las direcciones de polarización y la red tetragonal alternan entre dos direcciones ortogonales en relación con el sustrato, y las paredes de dominio a lo largo de la
PC [110] coexisten con las regiones a
1 - cy a
2 - c con polarización intraplana / extraplana y muros de dominio a lo largo de [100]
pc y [010]
pc .
Å es una unidad de medida de longitud (en nuestro caso, espesor), 1 Å = 10 −10 mo 0.1 nm.
Las zonas de dominio a
1 y a
2 conducen a una deformación uniaxial del 1,1% de la red (c - a) / a en el sustrato mismo, y las zonas de dominio
con deformación isotrópica (a = b).
Vale la pena señalar que la película de Fe tiene una región de gradiente de grosor ("cuña", si es desde el punto de vista de la geometría) de 30 μm de ancho, dividiendo la muestra por la mitad. En esta sección, el grosor de Fe (t
Fe ) varía a lo largo de la dirección BTO [¯100]
pc de 0.5 a 3 nm (nanómetros). En todas las demás regiones, el grosor de Fe no cambia: 0,5 nm o 3 nm. Los científicos han confirmado el estado de la cuña mediante espectroscopía de absorción de rayos X (RAS) y dicroísmo circular magnético de rayos X (RMCD).
El dicroísmo circular magnético de rayos X * es la diferencia entre los dos espectros PAC obtenidos en un campo magnético con luz polarizada circularmente izquierda y derecha.
Además, la muestra se revistió con una película protectora de Al de 3 nm de espesor. Después de las mediciones utilizando microscopía electrónica de fotoemisión de rayos X, la estructura atómica de la muestra se verificó mediante un microscopio electrónico de exploración de transmisión.
Resultados de la investigación
Imagen No. 1Para comenzar brevemente sobre lo que vemos arriba. Las imágenes
1a y
1b son imágenes de espectroscopía de absorción de rayos X de los bordes de Fe L
3 y Ti L
2 , respectivamente. Estas imágenes confirman el gradiente del espesor de la película de Fe, atenuando la señal de Ti de BTO (
1c ).
El escaneo de la energía de la radiación de rayos X incidente polarizada horizontalmente permitió obtener el espectro espacial de Ti L
2,3 y Fe L
2,3 (
1d ). No se observaron cambios con respecto a la forma del espectro de Ti L2.3 sobre la región de la cuña de Fe. A diferencia de Fe LL
2,3 , la forma del espectro cambia con el grosor de la película de hierro. Estos cambios se ven mejor en la región espectral L
2 del borde (
1e ), donde los cambios en el grado de oxidación del hierro afectan la forma del espectro.
Por lo tanto, el espectro de la porción de la película de Fe con el espesor máximo (3 μm) es similar al espectro de Fe a granel, pero cuando la película se diluye al mínimo experimental de 0.5 μm, el espectro adquiere características de FeO
x (marcadas con flechas negras en
1 ).
Tal observación es evidencia práctica de la presencia de una capa intermedia de FeOx entre las capas principales de Fe y BaTiO
3 , cuyo grosor debería ser de aproximadamente 2–3 Å.
Las imágenes magnéticamente contrastantes del RCDM de las zonas de dominio de la cuña Fe (
1f ) no mostraron huellas (efectos) de las zonas de dominio FE / BTO. Los científicos, por el contrario, esperaban tales impresiones, basadas en los principios de la magnetostricción.
Magnetostricción * : cambios en el volumen y el tamaño del cuerpo debido a cambios en su magnetización.
Al mismo tiempo, los científicos señalan que la ausencia de tales impresiones no excluye la presencia de una ligera transferencia de deformación entre el sustrato y la película de hierro, es decir, el desajuste de la red en menos del 10%.
También en la imagen
1f, vemos una transición clara y nítida entre los estados paramagnético (color blanco) y ferromagnético (color azul) con un cambio en el grosor de la película de hierro. Una comparación del perfil RCDM de la cuña con el perfil de espesor de Fe (
1g ) a lo largo de una línea mostró un espesor de película crítica (t
FM ) de 13 Å, en el que se produce una transición tan brusca de un estado magnético a otro.
Y aquí es importante tener en cuenta que a una temperatura de 320 K, el valor del grosor crítico de un ferromagnet en películas epitaxiales coherentes altamente ordenadas es de aproximadamente 1 capa monoatómica. Y esto es mucho menos que en el caso del compuesto estudiado. En consecuencia, esto indica la presencia de un estado de superparamagnetismo en t
Fe <t
FM , es decir, con un grosor de Fe (en el experimento) mayor que el grosor del ferromagnet (en teoría). Y esto puede deberse a la estructura nanocristalina de la película.
Imagen No. 2La imagen de arriba es el resultado de la microscopía de campo oscuro de la región con el mayor espesor de película de hierro (3 μm). Aquí vemos una capa uniforme de Fe de una estructura nanocristalina con granos (cristalitos) de 2-3 nm de tamaño. En este caso, la distancia plana de uno de estos granos es de 2.86 Å, lo que se correlaciona con la simetría centrada en el cuerpo (sintonía) de la red cristalina de hierro.
Imagen No. 3Y ahora lo más importante es el efecto magnetoeléctrico y su dependencia del voltaje.
Antes de comenzar las pruebas de voltaje, la muestra se enfrió primero a 60 K y luego se calentó nuevamente a 320 K. Este procedimiento cambió la estructura inicial de los dominios magnéticos de la capa de hierro.
La imagen
3a muestra una imagen RCDM a V = 0 V, es decir, en ausencia de exposición a voltaje en una porción dada de la muestra. En la región engrosada de la cuña ferromagnética, los dominios magnéticos (rayas azules y blancas) cuyas paredes están orientadas a lo largo de [¯110]
pc son claramente visibles. La dirección de la magnetización dentro de estas zonas de dominio "va" a lo largo de [010]
pc / [0¯10]
pc (nuevas franjas blancas) o a lo largo de [100]
pc (las franjas azules originales). Una estructura similar de dominios magnéticos con la formación de sitios rotados 90 ° con respecto a la posición inicial puede asociarse con el ciclo térmico mencionado anteriormente o con la diferencia de temperatura en este ciclo debido a la ferroelasticidad.
Además, la muestra se expuso a un voltaje de V = +74 V, lo que hizo que los dominios magnéticos fueran más distintos (
3b ). Después de una hora de este voltaje, nuevos dominios magnéticos con una orientación a lo largo de [100]
pc (azul) o [010]
pc / [0¯10]
pc (blanco) se hicieron visibles. Esto se muestra en la imagen
3c . Según los científicos, las nuevas zonas de dominio en la dirección [100]
pc se parecen a las paredes ferroelásticas a
1 −c. Esto significa que el sustrato BTO se transformó en un ferroelástico (SC)
V 1 -c
V.La imagen en 3D muestra todas las zonas de dominio magnético que ya tienen un voltaje de 170 V. Cada zona se marcó con una letra latina según la dirección magnética:
α - [010]
pc / [0¯10]
pc (áreas blancas);
β - [100]
pc (áreas azules);
γ es la región donde se conservan las huellas de los antiguos dominios ferroelásticos a
T 1 −a
T 2 .
El aumento de voltaje condujo al desplazamiento e intercambio de la posición de las zonas de dominio. Teóricamente, esta coexistencia de varias zonas de dominio magnético diferentes es comprensible, pero en la práctica se demostró por primera vez.
Los científicos no vieron ninguna dependencia particular de los dominios magnéticos a lo largo del eje [100]
pc en el gradiente del grosor de la película de hierro. Pero al mismo tiempo, señalan que el efecto del voltaje condujo a un aumento en las propiedades ferromagnéticas más cercanas al espesor mínimo de Fe (en las regiones β).
Además, se realizó una exposición con un voltaje de +170 V a -170 V, lo que confirmó la declaración anterior de los científicos con respecto a las regiones β.
Imagen No. 4Si comparamos las imágenes de
3d y
4a , entonces podemos ver cambios en estas áreas (expansión y luego estrechamiento). Esto está asociado con la relajación de la deformación en los materiales policristalinos que ocurre con el tiempo. Solo aquellas regiones de la capa de Fe permanecieron sin cambios donde los dominios BTO se transformaron recientemente. Las imágenes
4b y
4c muestran líneas discontinuas a lo largo de [100]
pc , que indican las áreas donde se produjo la transición de α a β.
El gráfico
4d muestra los resultados de un análisis de la extensión de las regiones ferromagnéticas. Vemos que el crecimiento del orden magnético de largo alcance se extiende a 1.3 μm a lo largo de [100]
pc .
Orden magnético de largo alcance * : el orden de orientación de los momentos magnéticos de los átomos, que se extiende sobre distancias mucho más que interatómicas.
Para un conocimiento más detallado de los matices y detalles del estudio, le recomiendo que consulte el
informe del grupo de investigación .
Epílogo
La conclusión más básica que se puede extraer de este experimento es que la expansión local del ferromagnetismo en la dirección de regiones más estrechas de la capa de Fe es factible por medio de una acción controlada de cierto voltaje en la muestra. Los científicos atribuyen este proceso a la modificación magnetoelástica de la anisotropía magnética asociada con los cristales de hierro, que a su vez conduce a la aparición de una transición superparamagnética / superferromagnética a temperatura ambiente.
Este estudio nos llevó un paso más cerca de comprender cómo se puede controlar el orden magnético en un campo eléctrico, mientras se controla el tamaño de los dominios ferromagnéticos, reduciéndolo al tamaño de los dominios FE, utilizando estructuras de películas delgadas en lugar de cristales individuales.
Control y control nuevamente. No es suficiente para nosotros entender cómo ciertos procesos físicos o químicos ocurren a nuestro alrededor, queremos controlarlos. Y los científicos están haciendo todo lo posible para frenar incluso aquellos procesos que hasta ahora se consideraban controlados solo por la naturaleza misma. Solo podemos esperar que tales estudios, como el que hemos examinado hoy, tengan como objetivo la creación, no la destrucción.
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