Long et al. / Science, 2020
Исследователи получили новый магнитоэлектрик, то есть материал, обладающий одновременно магнитными и электрическими свойствами. Такая комбинация характеристик впервые наблюдается в молекулярном материале при комнатной температуре. Возможность управлять одним свойством посредством другого открывает для таких многофункциональных систем широкий спектр применений: хранение информации с высокой плотностью, создание устройств с низким энергопотреблением и приборы для спинтроники, пишут авторы в журнале Science.
Существует большое разнообразие электрических и магнитных свойств материалов. В простейшем случае в веществе возникает электрическая (магнитная) поляризация во внешнем электрическом (магнитном) поле. Однако многие материалы неспособны сохранить такую наведенную поляризованность и теряют ее при снятии внешнего воздействия — в таком случае они называются параэлектриками (парамагнетиками).
Более сложные разновидности — это ферромагнетики и сегнетоэлектрики (ferroelectric в английском варианте). В веществах первого типа ниже определенной температуры самопроизвольно возникает дальний порядок ориентации магнитных моментов и может наблюдаться общая намагниченность, а веществах второго типа аналогичное происходит с электрическими дипольными моментами.
Взаимоотношение разных видов ферроупорядоченных материалов
James David Clarkson / University of California, Berkeley / PhD dissertation, 2016
Как правило, данные свойства встречаются по отдельности, но также известны вещества, в которых они сосуществуют. Такие материалы характеризуются магнитоэлектрическим эффектом, то есть возможностью контролировать магнитные свойства электрическими полями, а электрические свойства — магнитными полями. Впервые о такой возможности начали говорить в конце XIX века, но первым открытым веществом был оксид хрома Cr2O3, для которого магнитоэлектрический эффект был доказан в середине XX века советскими физиками.
Потенциально материалы с магнитоэлектрическими свойствами могут оказаться исключительно полезными в технологиях (сенсоры, устройства хранение данных, оптические элементы, пьезоэлектрические приборы), но на данный момент существует несколько препятствий к их широкомасштабному применению. Во-первых, у большинства магнитоэлектрический эффект либо мал, либо наблюдается лишь при низких температурах, во-вторых, эти вещества, как правило, являются неорганическими соединениями, в первую очередь, оксидами или фторидами. В то же время сложные молекулярные соединения могут обладать рядом преимуществ, таких как прозрачность, многофункциональность, менее дорогие способы синтеза и устойчивость.
Физики и химики из Франции (Университет Монпелье) и Португалии (Университеты Авейру и Коимбры) под руководством Юлии Ларионовой (Joulia Larionova) и Жерома Лонга (Jérôme Long) получили первый молекулярный магнитоэлектрик, сохраняющий свои свойства при комнатной температуре. Также его выгодно выделяет от других разработок однофазность, то есть он представляет собой не сложный композит из нескольких соединений, а вещество единого состава.
Авторы получили два энантиомера (хиральных изомера) координационного комплекса иттербия (III). Данный материал при комнатной температуре одновременно является сегнетоэлектриком и парамагнетиком, причем ему также присуща магнитострикция — деформация кристаллической структуры материала под действием магнитного поля. Именно последний феномен ответственен за связь магнитных и электрических свойств: реакция ионов иттербия на внешнее магнитное поле приводит к возникновению механического напряжения, которое, в свою очередь, меняет конфигурацию электрических диполей и, следовательно, поляризацию.
Структура полученных энантиомеров. Желтым показаны ионы иттербия, бирюзовым — цинк, синим — азот, красным — кислород. Остальная часть молекулы образована соединенными атомами углерода, атомы водорода не изображены.
Long et al. / Science, 2020
Изученное вещество не только обладает уникальной комбинацией параметров, но и существенно расширяет область поиска новых материалов с подобными качествами, так как преодолевает строгие ограничения, накладываемые на неорганические соединения для возникновения магнитоэлектрического эффекта.
Ранее ученые сделали из наночастиц жидкие капли постоянного магнита, повысили эффективность нанотранзисторов посредством слоя с отрицательной емкостью и синтезировали первый высокотемпературный мономолекулярный магнит.
Тимур Кешелава