L'immagine rappresenta il modello 3D del pattern di polarizzazione nel PbTiO3 ferroelettrico che rappresenta la modulazione cicloidale del nucleo del vortice. Credito:Università di Warwick
I materiali ferromagnetici hanno un campo magnetico autogenerante, i materiali ferroelettrici generano il proprio campo elettrico. Sebbene i campi elettrici e magnetici siano correlati, la fisica ci dice che sono classi di materiali molto diverse. Ora la scoperta da parte degli scienziati guidati dall'Università di Warwick di un complesso schema elettrico simile a un "vortice" che rispecchia la sua controparte magnetica suggerisce che potrebbero effettivamente essere due facce della stessa medaglia.
Dettagliato in un nuovo studio per la rivista Nature, finanziati dall'Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), parte di UK Research and Innovation, e dalla Royal Society, i risultati forniscono la prima prova di un processo nei materiali ferroelettrici paragonabile all'interazione Dzyaloshinskii-Moriya nei ferromagneti. Questa particolare interazione gioca un ruolo fondamentale nella stabilizzazione delle strutture magnetiche topologiche, come gli skyrmion, e potrebbe essere cruciale per potenziali nuove tecnologie elettroniche che sfruttano i loro analoghi elettrici.
I cristalli ferroelettrici sfusi sono stati utilizzati per molti anni in una gamma di tecnologie tra cui sonar, trasduttori audio e attuatori. Tutte queste tecnologie sfruttano i dipoli elettrici intrinseci e la loro interrelazione tra la struttura cristallina del materiale e i campi applicati.
Per questo studio, gli scienziati hanno creato un film sottile di titanato di piombo ferroelettrico racchiuso tra gli strati del rutenato di stronzio ferromagnete, ciascuno spesso circa 4 nanometri, solo il doppio dello spessore di un singolo filamento di DNA.
Mentre gli atomi dei due materiali formano un'unica struttura cristallina continua, nello strato di titanato di piombo ferroelettrico la polarizzazione elettrica formerebbe normalmente più "domini", come un nido d'ape. Questi domini possono essere osservati solo utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione all'avanguardia e la diffusione dei raggi X.
Ma quando il team dell'Università di Warwick ha esaminato la struttura degli strati combinati, ha visto che i domini nel titanato di piombo erano una complessa struttura topologica di linee di vortici, che ruotavano alternativamente in direzioni diverse.
Un comportamento quasi identico è stato osservato anche nei ferromagneti dove è noto che è generato dall'interazione Dzyaloshinskii-Moriya (DMi).
L'autrice principale, la professoressa Marin Alexe del Dipartimento di fisica dell'Università di Warwick, ha dichiarato:"Se si osserva come queste caratteristiche si riducono, la differenza tra ferromagnetismo e ferroelettricità diventa sempre meno importante. Potrebbe essere che a un certo punto si fonderanno in una materiale unico. Potrebbe essere artificiale e combinare ferromagneti e materiale ferroelettrico molto piccoli per sfruttare queste caratteristiche topologiche. Per me è molto chiaro che siamo sulla punta dell'iceberg per quanto riguarda la direzione in cui questa ricerca andrà a finire."
Il coautore Dorin Rusu, uno studente post-laurea presso l'Università di Warwick, ha dichiarato:"Rendersi conto che nei materiali ferroelettrici le trame dipolari che imitano la loro controparte magnetica a un tale livello assicura ulteriori ricerche sulla fisica fondamentale che guida tali somiglianze. Questo risultato non è un cosa banale se si considera la differenza nell'origine e nell'intensità dei campi elettrico e magnetico."
L'esistenza di questi vortici era stata precedentemente teorizzata, ma per osservarli con precisione è stato necessario l'uso di microscopi elettronici a trasmissione all'avanguardia presso l'Università di Warwick, nonché l'uso di sincrotroni in altre quattro strutture. Queste tecniche hanno permesso agli scienziati di misurare la posizione di ogni atomo con un alto grado di certezza.
La coautrice, la professoressa Ana Sanchez, ha dichiarato:"La microscopia elettronica è una tecnica rivoluzionaria per comprendere queste strutture topologiche. È lo strumento chiave per rivelare i dettagli di questi nuovi materiali, utilizzando un fascio di elettroni subatomico per generare immagini di interni struttura."
Il coautore, il professor Thomas Hase, ha aggiunto:"L'accesso a strutture di fascia alta nel Regno Unito, in Europa e negli Stati Uniti è stato fondamentale per questa particolare ricerca". + Esplora ulteriormente
