Поскольку искусственный интеллект и центры обработки данных требуют все больше и больше энергии, ученые ищут более умные и экологичные технологии. Вот тут-то и появляются магнитоэлектрические материалы - особые соединения, в которых электрические и магнитные свойства взаимосвязаны. Это соединение позволяет исследователям управлять магнетизмом с помощью электрических полей, что может проложить путь к созданию сверхэнергоэффективной памяти и вычислительных устройств.

Одним из таких магнитоэлектрических материалов является оливково-зеленый кристаллический оксиселенид меди (cu2oseo₃). При низких температурах атомные спины выстраиваются в экзотические магнитные структуры, образуя такие структуры, как спирали и конусы. Эти структуры намного больше, чем лежащая в их основе атомная решетка, и не привязаны к ее геометрии, что делает их легко настраиваемыми.

Нейтроны наблюдают, как электрические поля перенаправляют магнетизм

Теперь ученые из PSI продемонстрировали, что электрическое поле может управлять этими магнитными текстурами внутри оксиселенида меди. В типичных материалах магнитные структуры, образующиеся в результате скручивания и выравнивания атомных спинов, фиксируются в определенных ориентациях. В оксиселениде меди при правильном напряжении исследователи могли бы подтолкнуть и переориентировать их.

Это первый случай, когда направление распространения магнитной текстуры может непрерывно переориентироваться в материале с помощью электрического поля - эффект, известный как магнитоэлектрическое отклонение.

Для исследования магнитных структур команда использовала SANS-I beamline швейцарского источника нейтронов SINQ, который использует пучки нейтронов для отображения расположения и ориентации магнитных структур внутри твердого тела на наноуровне. Специально разработанная среда для образцов позволила исследователям применить сильное электрическое поле, одновременно исследуя намагниченность внутри кристалла с помощью малоуглового рассеяния нейтронов (SANS).

"Способность управлять такими большими магнитными текстурами с помощью электрических полей показывает, что возможно, когда творческие эксперименты сочетаются с исследовательской инфраструктурой мирового класса", - говорит Джонатан Уайт, научный сотрудник beamline в PSI. "Причина, по которой мы можем зафиксировать такой тонкий эффект, как магнитоэлектрическое отклонение, заключается в исключительном разрешении и универсальности SANS-I".

От новой физики к новым технологиям

Недавно обнаруженный магнитоэлектрический отклик на отклонение побудил к более глубокому исследованию лежащей в его основе физики. То, что они обнаружили, было интригующим: магнитные структуры не просто реагировали - они вели себя тремя различными способами в зависимости от силы электрического поля. Электрические поля потока мягко отклоняли магнитные структуры с линейным откликом. Средние поля приводили к более сложному, нелинейному поведению. Высокие поля вызывали резкие повороты на 90 градусов в направлении распространения магнитной текстуры.

"Каждый из этих режимов обладает уникальными сигнатурами, которые могут быть интегрированы в устройства считывания и хранения данных", - говорит Сэм Муди, научный сотрудник PSI и ведущий автор исследования. "Одной из особенно захватывающих возможностей являются гибридные устройства, которые используют возможность настраивать начало этих режимов путем изменения силы приложенного магнитного поля".

Магнитоэлектрический датчик отклонения предлагает новый мощный инструмент для управления магнетизмом, не полагаясь на энергоемкие магнитные поля. Высокий уровень гибкости, с помощью которого исследователи могли манипулировать магнетизмом, делает их открытие захватывающей перспективой для применения в устойчивых технологиях.