27. juni 2012

Opdagelse af materiale med forunderlige egenskaber

Normalt kan et materiale enten være magnetisk eller elektrisk polariseret, men ikke begge dele. Nu har forskere på blandt andet Nano-Science Center, Niels Bohr Institutet udforsket et materiale, der på samme tid er magnetisk og elektrisk polariserbart. Det åbner nye muligheder for f.eks. sensorer i fremtidens teknologi. Resultaterne er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift, Nature Materials.



Materialer, som kan være både magnetiske og elektrisk polariserende og endda have yderligere egenskaber kaldes multiferroics, og de blev opdaget allerede i 1960'erne af russiske forskere. Men dengang havde man ikke teknikken til at udforske materialerne. Først her i de senere år har forskerne igen fokuseret på materialerne for at analysere deres egenskaber. Nu har man forskningsanlæg, der kan analysere materialerne helt ned på atomart niveau.

Overraskende måleresultater

"Vi har undersøgt den sjældne, naturligt forekommende jern-blanding, TbFeO3 med kraftig neutronstråling i et magnetfelt. Temperaturen blev kølet ned til tæt på det absolutte nulpunkt, minus 271 grader C. Vi kunne identificere, at atomerne i materialet er arrangeret i et harmonisk gittermønster bestående af rækker med tungmetallet terbium adskilt af jern- og iltatomer. Sådanne gittermønstre er velkendte, men deres magnetiske domæner er nye. Normalt vil de magnetiske domæner lægge sig lidt hulter til bulter, men her observerede vi, at de lå snorlige med samme afstand imellem dem. Vi blev helt paf, da vi så det", fortæller Kim Lefmann, lektor på Nano-Science Center ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.

Det var vildt mærkelige og meget smukke måleresultater, og det er lige sådan en opdagelse, der kan få vakt forskernes intense interessere. Hvorfor ser det sådan ud?

Fysikkens opklaring

Eksperimenterne blev udført på forskningsanlægget Helmholtz-Zentrum i Berlin, hvor de har et kraftigt neutronstråle-anlæg. Forskningen er udført i samarbejde med forskere i Holland, Tyskland, på ESS i Lund og på Risø/DTU. De ville gerne have en generel forståelse af materialet, og ved hjælp af modelberegninger er de nu kommet frem til et mere præcist billede af sammenhængen mellem materialets opbygning og de fysiske egenskaber.

"Det, modellerne beskriver, er at terbium-væggene vekselvirker ved at udveksle bølger af spin (magnetisme), der bliver overført gennem det magnetiske jern-gitter. Resultatet er en Yukawa-lignende kraft, som kendes fra kerne- og partikelfysik. Materialet udviser i en vis forstand de samme vekselvirkende kræfter, som holder partiklerne sammen i atomkernerne", forklarer Heloisa Bordallo lektor på Nano-Science Center ved Niels Bohr Institutet.

Det er netop denne vekselvirkning mellem overgangsmetallet, jern og det sjældne stof, terbium, der spiller en vigtig rolle i dette magneto-elektriske materiale. Terbiums bølger af spin medfører en væsentlig forøgelse af den elektriske polarisering, og vekselvirkningen mellem stoffernes ioner skaber en af de stærkeste magneto-elektriske virkninger observeret i materialer.

"Gennem disse resultater har vi fundet en meget spændende ny effekt i multiferroic materialer", påpeger forskningsgruppen. Den eksperimentelle del blev ledet af Dimitri Argyriou, ESS, Lund og det teoretiske arbejde af Maxim Mostovoy, University of Groningen. Nu er det op til den videre forskning at afgøre, om denne nye effekt kan føre til nye anvendelsesmuligheder for disse materialer med de forunderlige fysiske egenskaber.