Mappa vettoriale magnetica (campo visivo di 50 µm) che descrive la magnetizzazione di un film di Ni durante l'applicazione di 50 V attraverso il substrato ferroelettrico di PMN-PT. La ruota dei colori identifica la direzione di magnetizzazione. Giallo e marrone indicano regioni la cui magnetizzazione non è stata influenzata dalla tensione. Credito:sorgente luminosa a diamante
L'alta risoluzione e la ricchezza di dati forniti da un esperimento al Diamond possono portare a scoperte inaspettate. Le proprietà piezoelettriche della perovskite ceramica PMN-PT (0.68Pb(Mg 1 /3Nb 2 /3)O 3 –0.32PbTiO 3 ) sono ampiamente utilizzati negli attuatori commerciali, dove la deformazione generata varia continuamente con la tensione applicata. Però, se la tensione applicata viene ciclata in modo appropriato allora ci sono cambiamenti discontinui di deformazione. Questi cambiamenti discontinui possono essere usati per guidare la commutazione magnetica in un sottile ferromagnete sovrastante, che consente di scrivere elettricamente informazioni magnetiche. Un team internazionale di ricercatori ha utilizzato la linea di luce I06 per studiare un film ferromagnetico di nichel quando fungeva da estensimetro sensibile per PMN-PT a cristallo singolo. La loro interpretazione iniziale dei risultati suggeriva che la commutazione del dominio ferroelettrico ruotava i domini magnetici nel film dell'angolo previsto di 90°, ma un esame più attento ha rivelato che il quadro reale è più complesso.
Il loro lavoro, recentemente pubblicato in Materiali della natura , mostra che la commutazione del dominio ferroelettrico ha ruotato i domini magnetici nel film di molto meno di 90° a causa di una deformazione di taglio associata. I risultati offrono sia una sfida che un'opportunità per la progettazione di dispositivi di archiviazione dati di nuova generazione, e sarà sicuramente rilevante se il lavoro verrà esteso all'esplorazione della manipolazione elettrica di strutture magnetiche più complesse.
Alcuni materiali solidi sviluppano una carica elettrica in risposta a uno stress meccanico applicato. Questo effetto piezoelettrico significa che alcuni cristalli possono essere utilizzati per convertire l'energia meccanica in elettricità o viceversa, e materiali piezoelettrici sono utilizzati in una varietà di tecnologie, compresa la messa a fuoco automatica delle fotocamere dei telefoni cellulari. Per queste applicazioni, la deformazione varia continuamente con la tensione applicata, ma ciclare la tensione applicata può portare a cambiamenti discontinui di deformazione dovuti alla commutazione del dominio ferroelettrico. Questi cambiamenti discontinui di deformazione possono essere usati per guidare la commutazione magnetica in un sottile film di ferromagment, tale che i dati possono essere scritti elettricamente, e memorizzati magneticamente.
Quando un team internazionale di ricercatori è venuto a Diamond per studiare questo effetto, hanno usato la microscopia elettronica a fotoemissione (PEEM) combinata con il dicroismo magnetico circolare a raggi X (XMCD) per fornire il contrasto magnetico. Stavano usando un film ferromagnetico di nichel come estensimetro sensibile per PMN-PT a cristallo singolo, mentre variando la tensione attraverso il cristallo. Le misurazioni microscopiche hanno comportato la combinazione di due immagini XMCD‑PEEM per formare una mappa vettoriale magnetica.
A prima vista, queste misurazioni microscopiche hanno mostrato ciò che il team si aspettava di vedere:domini magnetici che apparentemente ruotavano di 90° a causa della commutazione del dominio ferroelettrico. Le misurazioni magnetiche macroscopiche effettuate utilizzando la magnetometria a campione vibrante hanno portato alla stessa conclusione. Però, i dati ad alta risoluzione di Diamond hanno offerto l'opportunità di scavare un po' più a fondo.
Per il professor Neil Mathur dell'Università di Cambridge, dare un'occhiata più da vicino sembrava ovvio. "I dati ci hanno permesso di fare un confronto pixel per pixel delle immagini, e ho sentito che dovremmo farlo, semplicemente perché potremmo."
inaspettatamente, il confronto pixel per pixel ha rivelato che gli angoli di commutazione magnetica in genere erano ben al di sotto dei 90°. Questo potrebbe essere facilmente spiegato includendo un componente di taglio, previsto dalla geometria della cellula unitaria PMN-PT.
Sembra che i ricercatori abbiano semplificato eccessivamente la risposta magnetoelettrica delle eterostrutture basate su PMN-PT per anni, ma è facile capire perché. Le misurazioni macroscopiche fanno la media delle rotazioni del dominio magnetico sia in senso orario che antiorario, annullando la segnatura magnetica delle componenti di taglio. L'analisi delle misurazioni microscopiche viene normalmente eseguita con una ruota dei colori, che rende facile vedere se i domini magnetici sono orientati su/giù o destra/sinistra, ma ogni colore che percepiamo copre una vasta gamma di angoli, mascherare la verità.
Sfide e opportunità
Questa nuova scoperta dovrebbe essere applicabile a materiali simili, e offre sia una sfida che un'opportunità per lo sviluppo e la miniaturizzazione di dispositivi basati su materiali magnetoelettrici.
Il professor Mathur spiega:"La nostra scoperta significa che questi sistemi si comporteranno in modo diverso da quello che ci si sarebbe aspettato originariamente dopo la miniaturizzazione. Questa sarà una sfida per i progettisti di dispositivi, ma c'è anche una grande opportunità qui, perché significa che due insiemi di dati possono essere scritti sullo stesso dispositivo con campi magnetici ed elettrici, raddoppiando così la densità di archiviazione."
In futuro, Il professor Mathur ritiene che diventerà normale considerare la deformazione di taglio che si verifica quando i domini ferroelettrici a bassa simmetria subiscono la commutazione.
Il team sta ora continuando il lavoro esaminando trame magnetiche più complesse, come gli skyrmion. Vogliono indagare su come questi oggetti complessi possono essere distrutti, creato e modificato da sollecitazioni azionate elettricamente, e se possono creare trame magnetiche che semplicemente non sono state viste prima.
