Nei materiali ferroelettrici la struttura cristallina si deforma, dando luogo a una polarizzazione e un campo elettrico formati spontaneamente. A causa di questa proprietà unica, i ferroelettrici possono essere trovati in qualsiasi cosa, dalle macchine a ultrasuoni e dagli iniettori di carburante diesel alla memoria del computer. I materiali ferroelettrici sono alla base di alcune delle tecnologie più avanzate oggi disponibili. I risultati che la ferroelettricità può essere osservata in materiali che mostrano altre transizioni spontanee, come il ferromagnetismo, hanno dato origine a una nuova classe di questi materiali, noti come ferroelettrici impropri ibridi. Le proprietà di questo tipo di materiale, però, sono ancora lontani dall'essere pienamente compresi. Nuovi risultati pubblicati in Lettere di fisica applicata , aiutano a far luce su questi materiali e indicano il potenziale per nuove applicazioni optoelettroniche e di archiviazione.

Un team di ricercatori cinesi ha caratterizzato un tipo di ibrido ferroelettrico improprio, Ca3Mn2O7. Il gruppo ha studiato il ferroelettrico del materiale, proprietà magnetoelettriche e ottiche. Sono stati in grado di dimostrare la ferroelettricità in Ca3Mn2O7 e l'accoppiamento tra il suo magnetismo e la ferroelettricità, una proprietà chiave che ha il potenziale per consentire operazioni sui bit più veloci ed efficienti nei computer.

"Il nostro lavoro risolve un enigma a lungo termine in questo campo, che potrebbe spingere in avanti le frontiere e rafforzare la fiducia nel continuare la ricerca in questo campo, " ha detto Shuai Dong, un autore sulla carta.

Come le batterie, ad esempio, i ferroelettrici hanno poli caricati positivamente e negativamente. Una delle principali caratteristiche distintive di questi materiali, però, è che questa polarizzazione può essere invertita utilizzando un campo elettrico esterno.

"Questo può essere utile perché può essere utilizzato nei dispositivi per memorizzare informazioni come uno e zero, "Dong ha detto. "Inoltre, la commutazione della polarizzazione può generare corrente, che può essere utilizzato nei sensori."

A differenza dei tradizionali ferroelettrici, che derivano direttamente le loro proprietà dalle distorsioni polari nel reticolo del cristallo del materiale, ferroelettrici impropri ibridi generano polarizzazione da una combinazione di distorsioni non polari.

Quando i ferroelettrici impropri ibridi sono stati teorizzati per la prima volta nel 2011, sono stati proposti due materiali. Negli anni successivi, cristalli non magnetici di Ca3Ti2O7¬ sono stati dimostrati sperimentalmente, ma una caratterizzazione completa della sua controparte magnetica, Ca3Mn2O7, rimasto sfuggente.

"Più transizioni e separazioni di fase sono state evidenziate in Ca3Mn2O7, rendendolo più complesso delle prime aspettative teoriche, " Dong ha detto. "Questo materiale è complesso, e la perdita è grave, che impedisce la misurazione diretta della sua ferroelettricità ad alta temperatura."

Per comprendere ulteriormente Ca3Mn2O7, Dong e i suoi collaboratori hanno confermato la ferroelettricità del materiale utilizzando misurazioni piroelettriche che esaminano le sue proprietà elettriche in un intervallo di temperature e misurando i cicli di isteresi ferroelettrica di Ca3Mn2O7, un metodo che mitiga alcune perdite estrinseche. Ulteriori indagini hanno mostrato che Ca3Mn2O7 mostra un debole ferromagnetismo che può essere modulato da un campo elettrico.

Si è scoperto che Ca3Mn2O7, un materiale che si dice abbia proprietà ferroelettriche e magnetoelettriche, ha anche mostrato un forte assorbimento della luce visibile in una banda proibita adatta per dispositivi fotoelettrici. Questa caratteristica del Ca3Mn2O7 potrebbe aprire la strada all'utilizzo del materiale in qualsiasi cosa, dalle celle fotovoltaiche ai sensori di luce con il campo elettrico integrato che porta a una tensione fotogenerata maggiore rispetto ai dispositivi odierni.

"La cosa più sorprendente per noi è stata che nessuno aveva notato prima il suo notevole assorbimento di luce, " Disse Dong.

Nel futuro, Dong ha detto che spera di esplorare le proprietà fotoelettriche di Ca3Mn2O7 e di indagare se l'introduzione di ferro nel cristallo ne migliorerebbe il magnetismo.