鐵磁材料具有自生磁場(chǎng)，鐵電材料自身產(chǎn)生電場(chǎng)。盡管電場(chǎng)和磁場(chǎng)是相關(guān)的，但物理學(xué)告訴我們它們是截然不同的材料類別?，F(xiàn)在，華威大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種復(fù)雜的電“渦”狀圖案，它反映了它的磁性對(duì)應(yīng)物，這表明它們實(shí)際上可能是同一枚硬幣的兩個(gè)面。

在《自然》雜志的一項(xiàng)新研究中詳細(xì)介紹了該研究，該研究由工程和物理科學(xué)研究委員會(huì) (EPSRC)(英國(guó)研究與創(chuàng)新的一部分)和皇家學(xué)會(huì)資助，結(jié)果首次證明了鐵電材料的工藝可與鐵磁體中的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用。這種特殊的相互作用在穩(wěn)定拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)(例如斯格明子)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并且對(duì)于利用其電類似物的潛在新電子技術(shù)可能至關(guān)重要。

多年來，大塊鐵電晶體已在包括聲納、音頻傳感器和致動(dòng)器在內(nèi)的一系列技術(shù)中使用。所有這些技術(shù)都利用了固有的電偶極子及其在材料晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域之間的相互關(guān)系。

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們創(chuàng)造了一層鐵電鈦酸鉛薄膜，夾在鐵磁體釕酸鍶層之間，每層約 4 納米厚——僅為單股 DNA 厚度的兩倍。

雖然這兩種材料的原子形成單一的連續(xù)晶體結(jié)構(gòu)，但在鐵電鈦酸鉛層中，電極化通常會(huì)形成多個(gè)“域”，如蜂窩。這些域只能使用最先進(jìn)的透射電子顯微鏡和 X 射線散射來觀察。

但是，當(dāng)華威大學(xué)團(tuán)隊(duì)檢查組合層的結(jié)構(gòu)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)鈦酸鉛中的域是渦線的復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在不同方向交替旋轉(zhuǎn)。

在已知由 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMi) 產(chǎn)生的鐵磁體中也發(fā)現(xiàn)了幾乎相同的行為。

華威大學(xué)物理系的主要作者 Marin Alexe 教授說：“如果你看看這些特性是如何縮小的，鐵磁性和鐵電性之間的差異變得越來越不重要。它們可能會(huì)在某個(gè)時(shí)刻合并為一個(gè)獨(dú)特的材料。這可以是人造的，并結(jié)合非常小的鐵磁體和鐵電體來利用這些拓?fù)涮卣鳌Ｎ液芮宄?，就這項(xiàng)研究的發(fā)展方向而言，我們處于冰山一角。”

合著者、華威大學(xué)研究生 Dorin Rusu 說：“意識(shí)到在鐵電體中偶極紋理在一定程度上模仿了它們的磁性對(duì)應(yīng)物，確保了對(duì)推動(dòng)這種相似性的基礎(chǔ)物理學(xué)的進(jìn)一步研究。這個(gè)結(jié)果并不是當(dāng)你考慮到電場(chǎng)和磁場(chǎng)的起源和強(qiáng)度的差異時(shí)，這是微不足道的。”

這些渦流的存在之前已經(jīng)被理論化，但它需要使用華威大學(xué)的尖端透射電子顯微鏡以及其他四個(gè)設(shè)施的同步加速器來準(zhǔn)確觀察它們。這些技術(shù)使科學(xué)家能夠高度確定地測(cè)量每個(gè)原子的位置。

合著者安娜·桑切斯教授說：“電子顯微鏡是理解這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種改變游戲規(guī)則的技術(shù)。它是揭示這些新材料來龍去脈的關(guān)鍵工具，它使用亞原子電子束生成內(nèi)部圖像結(jié)構(gòu)體。”

共同作者 Thomas Hase 教授補(bǔ)充說：“訪問英國(guó)、歐洲和美國(guó)的高端設(shè)施對(duì)于這項(xiàng)特殊研究至關(guān)重要。”

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