Mapa de vetor magnético (campo de visão de 50 µm) descrevendo a magnetização de um filme de Ni enquanto aplica 50 V através do substrato ferroelétrico de PMN-PT. A roda de cores identifica a direção de magnetização. Amarelo e marrom denotam regiões cuja magnetização não foi afetada pela voltagem. Crédito:Diamond Light Source
A alta resolução e a riqueza de dados fornecidos por um experimento na Diamond podem levar a descobertas inesperadas. As propriedades piezoelétricas da perovskita cerâmica PMN-PT (0,68Pb (Mg 1 / 3Nb 2 / 3) O 3 –0,32PbTiO 3 ) são amplamente utilizados em atuadores comerciais, onde a deformação gerada varia continuamente com a voltagem aplicada. Contudo, se a tensão aplicada for ciclada de forma adequada, haverá mudanças descontínuas de deformação. Essas mudanças descontínuas podem ser usadas para conduzir a comutação magnética em um ferromagneto sobreposto fino, permitindo que a informação magnética seja escrita eletricamente. Uma equipe internacional de pesquisadores usou a linha de luz I06 para investigar um filme ferromagnético de níquel quando ele serviu como um extensômetro sensível para um único cristal PMN-PT. A interpretação inicial dos resultados sugeriu que a comutação de domínio ferroelétrico girou os domínios magnéticos no filme pelo ângulo esperado de 90 °, mas um exame mais atento revelou que a verdadeira imagem era mais complexa.
Trabalho deles, publicado recentemente em Materiais da Natureza , mostra que a comutação de domínio ferroelétrico girou os domínios magnéticos no filme em consideravelmente menos do que 90 ° devido a uma deformação de cisalhamento associada. As descobertas oferecem um desafio e uma oportunidade para o design de dispositivos de armazenamento de dados de próxima geração, e certamente será relevante se o trabalho for estendido para explorar a manipulação eletricamente acionada de texturas magnéticas mais complexas.
Alguns materiais sólidos desenvolvem carga elétrica em resposta a um estresse mecânico aplicado. Este efeito piezoelétrico significa que certos cristais podem ser usados para converter energia mecânica em eletricidade ou vice-versa, e materiais piezoelétricos são usados em uma variedade de tecnologias, incluindo o foco automático de câmeras em telefones celulares. Para esses aplicativos, a deformação varia continuamente com a voltagem aplicada, mas o ciclo da tensão aplicada pode levar a mudanças descontínuas de deformação devido à comutação de domínio ferroelétrico. Essas mudanças descontínuas na deformação podem ser usadas para conduzir a comutação magnética em um filme fino de ferromagmento, de modo que os dados possam ser gravados eletricamente, e armazenado magneticamente.
Quando uma equipe internacional de pesquisadores veio a Diamond para investigar esse efeito, eles usaram microscopia eletrônica de fotoemissão (PEEM) combinada com dicroísmo magnético circular de raios-X (XMCD) para fornecer contraste magnético. Eles estavam usando um filme ferromagnético de níquel como um medidor de tensão sensível para PMN-PT de cristal único, enquanto varia a voltagem no cristal. As medições microscópicas envolveram a combinação de duas imagens XMCD-PEEM para formar um mapa vetorial magnético.
À primeira vista, essas medições microscópicas mostraram o que a equipe esperava ver - domínios magnéticos que aparentemente giravam 90 ° devido à troca de domínio ferroelétrico. Medidas magnéticas macroscópicas que foram feitas usando magnetometria de amostra vibratória levaram à mesma conclusão. Contudo, os dados de alta resolução da Diamond ofereceram a oportunidade de ir um pouco mais fundo.
Para o professor Neil Mathur da Universidade de Cambridge, dar uma olhada mais de perto parecia óbvio. "Os dados nos permitiram fazer uma comparação pixel a pixel das imagens, e eu senti que deveríamos fazer isso, simplesmente porque podíamos. "
Inesperadamente, a comparação pixel a pixel revelou que os ângulos de comutação magnética normalmente ficavam bem aquém de 90 °. Isso pode ser facilmente explicado incluindo um componente de cisalhamento, previsto a partir da geometria de célula unitária PMN-PT.
Parece que os pesquisadores simplificaram demais a resposta magnetoelétrica de heteroestruturas baseadas em PMN-PT por anos, mas é fácil entender por quê. As medições macroscópicas fazem a média das rotações do domínio magnético no sentido horário e anti-horário, cancelar a assinatura magnética dos componentes de cisalhamento. A análise de medidas microscópicas é normalmente realizada com uma roda de cores, o que torna mais fácil ver se os domínios magnéticos estão orientados para cima / baixo ou direita / esquerda, mas cada cor que percebemos cobre uma ampla gama de ângulos, mascarando a verdade.
Desafios e oportunidades
Esta nova descoberta deve ser aplicável a materiais semelhantes, e oferece um desafio e uma oportunidade para o desenvolvimento e miniaturização de dispositivos baseados em materiais magnetoelétricos.
O professor Mathur explica:"Nossa descoberta significa que esses sistemas vão se comportar de maneira diferente do que se esperaria originalmente após a miniaturização. Isso será um desafio para os designers de dispositivos, mas também há uma grande oportunidade aqui, porque significa que dois conjuntos de dados podem ser gravados no mesmo dispositivo com campos magnéticos e elétricos, dobrando assim a densidade de armazenamento. "
No futuro, O professor Mathur acredita que se tornará normal considerar a deformação de cisalhamento que surge quando domínios ferroelétricos de baixa simetria sofrem comutação.
A equipe agora está continuando seu trabalho olhando para texturas magnéticas mais complexas, como skyrmions. Eles querem investigar como esses objetos complexos podem ser destruídos, criado e modificado por tensão acionada eletricamente, e se eles podem criar texturas magnéticas que simplesmente não foram vistas antes.
