Pesquisadores do MIPT e seus colegas da Universidade Federal de Ural combinaram abordagens ópticas e acústicas e descobriram que a incorporação de átomos de titânio em hexaferrita de bário leva à formação de uma subestrutura inesperada na rede cristalina. O material resultante é promissor para aplicativos ultrarrápidos de memória de computador. Os resultados foram publicados em Relatórios Científicos .

Um multiferróico é um material caracterizado por mais de um tipo de ordenação interna. Por exemplo, pode exibir propriedades ferroelétricas e ferromagnéticas, dependendo da temperatura. Isso significa que o material sofre polarização espontânea em uma determinada faixa de temperatura, e abaixo de outra temperatura crítica, ele fica magnetizado mesmo na ausência de um campo magnético externo.

Os pesquisadores estudam as propriedades fundamentais dos multiferróicos para criar materiais com as características desejadas que podem ser alterados de maneira controlada. Multiferroics são aplicáveis ​​em dispositivos de memória magnética ultrarrápidos, revestimentos anti-reflexos, e transmissão rápida de dados em frequências terahertz, ou seja, em trilionésimos de segundo.

Os pesquisadores fundiram abordagens ópticas e acústicas em um experimento para investigar as propriedades da hexaferrita de bário dopada com titânio. O estudo combinou a espectroscopia terahertz com a análise da atenuação e velocidade da onda de ultrassom, revelando um comportamento incomum do material.

"A óptica e a acústica são como a visão e a audição, pois se complementam em vez de se repetir. Os dois canais juntos fornecem uma compreensão mais completa de um objeto, "disse Liudmila Alyabyeva, que supervisiona a pesquisa de multiferróicos no Laboratório de Espectroscopia Terahertz do MIPT. "Sempre que duas técnicas experimentais muito diferentes demonstram que certos fenômenos ocorrem em uma determinada temperatura, isso é uma forte indicação de que algo está acontecendo na amostra no nível microscópico. Portanto, precisamos identificar o mecanismo por trás desses efeitos. "

Os cientistas encontraram uma maneira de explicar as propriedades óticas incomuns do material e as acústicas. Descobriu-se que, ao incorporar titânio em hexaferrita de bário, a sub-rede de ferro no material é afetada. A presença de átomos estranhos faz com que alguns dos átomos de ferro mudem seu estado de oxidação e formem o que é conhecido como sub-rede de Jahn-Teller - uma estrutura secundária dentro da rede de cristal do material.

Quando átomos estranhos são inseridos na estrutura de um cristal, eles substituem alguns dos átomos hospedeiros. No caso da hexaferrita de bário, titânio substitui parte do ferro. Contudo, o que torna os dois elementos diferentes é que o ferro tem uma valência de três na hexaferrita, e o titânio é quadrivalente. Isso significa que os íons desses dois metais no cristal diferem em seu tamanho e carga elétrica.

"Quando um íon de ferro trivalente é substituído pelo íon de titânio quadrivalente menor, isso distorce a rede e viola a neutralidade elétrica. Mas a neutralidade elétrica deve persistir de alguma forma, é uma regra fundamental, "explicou Boris Gorshunov, que dirige o Laboratório de Espectroscopia Terahertz no MIPT. "Como resultado, alguns dos átomos de ferro vizinhos tornam-se divalentes para compensar a carga dos íons de titânio." Essas mudanças estruturais são a razão das propriedades ópticas e acústicas incomuns do material observadas pela equipe.

"Nosso estudo é o primeiro a destacar um novo mecanismo que dá origem a uma sub-rede de centros Jahn-Teller. Em vez de ser formado por átomos de impureza, como é normalmente o caso, a sub-rede consiste em alguns dos átomos de cristal hospedeiro, "disse o professor Vladimir Gudkov da Universidade Federal de Ural.

O surgimento da sub-rede Jahn-Teller no cristal leva a propriedades incomuns e potencialmente valiosas. Por exemplo, os subsistemas magnéticos que surgem no material podem ser usados ​​em memória de computador ultrarrápida, remagnetizado por radiação terahertz, também conhecido como ondas T.