Titano, signore del reticolo. Credito:Daria Sokol, MIPT
I ricercatori del MIPT ei loro colleghi della Ural Federal University hanno combinato approcci ottici e acustici e hanno scoperto che l'incorporazione di atomi di titanio nell'esaferrite di bario porta alla formazione di una sottostruttura inaspettata nel reticolo cristallino. Il materiale risultante è promettente per applicazioni di memoria per computer ultraveloci. I risultati sono stati pubblicati in Rapporti scientifici .
Un multiferroico è un materiale caratterizzato da più di un tipo di ordinamento interno. Per esempio, potrebbe presentare proprietà sia ferroelettriche che ferromagnetiche, a seconda della temperatura. Ciò significa che il materiale subisce una polarizzazione spontanea in un certo intervallo di temperatura, e al di sotto di un'altra temperatura critica, si magnetizza anche in assenza di un campo magnetico esterno.
I ricercatori studiano le proprietà fondamentali dei multiferroici per creare materiali con le caratteristiche desiderate che possono essere modificate in modo controllato. I multiferroici sono applicabili in dispositivi di memoria magnetica ultraveloci, rivestimenti antiriflesso, e trasmissione dati veloce a frequenze terahertz, ovvero entro trilionesimi di secondo.
I ricercatori hanno fuso approcci ottici e acustici in un esperimento per studiare le proprietà dell'esaferrite di bario drogata con titanio. Lo studio ha combinato la spettroscopia terahertz con l'analisi dell'attenuazione e della velocità delle onde ultrasoniche, rivelando un comportamento insolito del materiale.
"L'ottica e l'acustica sono come la vista e l'udito in quanto si completano anziché ripetersi a vicenda. I due canali insieme forniscono una comprensione più completa di un oggetto, " disse Liudmila Alyabyeva, che supervisiona la ricerca multiferroica presso il Terahertz Spectroscopy Lab del MIPT. "Ogni volta che due tecniche sperimentali molto diverse dimostrano che certi fenomeni si verificano a una particolare temperatura, questa è una forte indicazione che sta accadendo qualcosa nel campione a livello microscopico. Quindi dobbiamo identificare il meccanismo alla base di questi effetti".
Gli scienziati hanno trovato un modo per spiegare sia le insolite proprietà ottiche del materiale che quelle acustiche. Si è scoperto che incorporando il titanio nell'esaferrite di bario, il sottoreticolo di ferro nel materiale è interessato. La presenza degli atomi estranei fa sì che alcuni atomi di ferro cambino il loro stato di ossidazione e formino ciò che è noto come sottoreticolo di Jahn-Teller, una struttura secondaria all'interno del reticolo cristallino del materiale.
Quando atomi estranei vengono inseriti nel reticolo di un cristallo, sostituiscono alcuni degli atomi ospiti. Nel caso dell'esaferrite di bario, il titanio sostituisce parte del ferro. Però, ciò che rende diversi i due elementi è che il ferro ha valenza tre in esaferrite, e il titanio è quadrivalente. Ciò significa che gli ioni di questi due metalli nel cristallo differiscono per dimensione e carica elettrica.
"Quando uno ione di ferro trivalente viene sostituito dal più piccolo ione quadrivalente di titanio, questo distorce il reticolo e viola la neutralità elettrica. Ma la neutralità elettrica deve persistere in qualche modo, è una regola fondamentale, " ha spiegato Boris Gorshunov, che dirige il laboratorio di spettroscopia Terahertz al MIPT. "Di conseguenza, alcuni degli atomi di ferro vicini diventano bivalenti per compensare la carica degli ioni di titanio". Questi cambiamenti strutturali sono la ragione delle insolite proprietà ottiche e acustiche del materiale osservate dal team.
"Il nostro studio è il primo a evidenziare un nuovo meccanismo che dà origine a un sottoreticolo di centri Jahn-Teller. Piuttosto che essere formato da atomi di impurità, come avviene normalmente, il sottoreticolo è costituito da alcuni degli atomi del cristallo ospite, ", ha affermato il professore dell'Università Federale degli Urali Vladimir Gudkov.
L'emergere del sottoreticolo di Jahn-Teller nel cristallo porta a proprietà insolite e potenzialmente preziose. Ad esempio, i sottosistemi magnetici che sorgono nel materiale possono essere utilizzati nella memoria del computer ultraveloce, rimagnetizzato da radiazioni terahertz, noto anche come onde T.