Des chercheurs du MIPT et leurs collègues de l'Université fédérale de l'Oural ont combiné des approches optiques et acoustiques et ont découvert que l'incorporation d'atomes de titane dans l'hexaferrite de baryum entraîne la formation d'une sous-structure inattendue dans le réseau cristallin. Le matériau résultant est prometteur pour les applications de mémoire informatique ultrarapide. Les résultats ont été publiés dans Rapports scientifiques .

Un multiferroïque est un matériau caractérisé par plus d'un type d'ordre interne. Par exemple, il peut présenter à la fois des propriétés ferroélectriques et ferromagnétiques, en fonction de la température. Cela signifie que le matériau subit une polarisation spontanée dans une certaine plage de température, et en dessous d'une autre température critique, il devient magnétisé même en l'absence d'un champ magnétique extérieur.

Les chercheurs étudient les propriétés fondamentales des multiferroïques pour créer des matériaux avec les caractéristiques souhaitées qui peuvent être modifiées de manière contrôlée. Les multiferroïques sont applicables dans les dispositifs de mémoire magnétique ultrarapide, revêtements antireflet, et une transmission de données rapide à des fréquences térahertz, c'est-à-dire en un millier de milliardièmes de seconde.

Les chercheurs ont fusionné des approches optiques et acoustiques dans une expérience pour étudier les propriétés de l'hexaferrite de baryum dopé au titane. L'étude a combiné la spectroscopie térahertz avec l'analyse de l'atténuation et de la vitesse des ondes ultrasonores, révélant un comportement inhabituel du matériau.

"L'optique et l'acoustique sont comme la vision et l'ouïe en ce sens qu'elles se complètent plutôt qu'elles ne se répètent. Les deux canaux ensemble fournissent une compréhension plus complète d'un objet, " a déclaré Liudmila Alyabyeva, qui supervise la recherche multiferroïque au laboratoire de spectroscopie térahertz du MIPT. "Chaque fois que deux techniques expérimentales très différentes démontrent que certains phénomènes se produisent à une température particulière, c'est une indication forte que quelque chose se passe dans l'échantillon au niveau microscopique. Nous devons donc identifier le mécanisme derrière ces effets. »

Les scientifiques ont trouvé un moyen d'expliquer à la fois les propriétés optiques inhabituelles du matériau et les propriétés acoustiques. Il s'est avéré qu'en incorporant du titane dans de l'hexaferrite de baryum, le sous-réseau de fer dans le matériau est affecté. La présence d'atomes étrangers fait que certains atomes de fer changent leur état d'oxydation et forment ce que l'on appelle le sous-réseau de Jahn-Teller, une structure secondaire au sein du réseau cristallin du matériau.

Lorsque des atomes étrangers sont insérés dans le réseau d'un cristal, ils remplacent certains des atomes hôtes. Dans le cas de l'hexaferrite de baryum, le titane remplace une partie du fer. Cependant, ce qui rend les deux éléments différents, c'est que le fer a une valence de trois dans l'hexaferrite, et le titane est quadrivalent. Cela signifie que les ions de ces deux métaux dans le cristal diffèrent par leur taille et leur charge électrique.

"Lorsqu'un ion fer trivalent est remplacé par le plus petit ion titane quadrivalent, cela déforme le réseau et viole la neutralité électrique. Mais la neutralité électrique doit persister d'une manière ou d'une autre, c'est une règle fondamentale, " a expliqué Boris Gorshunov, qui dirige le laboratoire de spectroscopie térahertz du MIPT. "En conséquence, certains des atomes de fer voisins deviennent divalents pour compenser la charge des ions titane." Ces changements structurels sont à l'origine des propriétés optiques et acoustiques inhabituelles du matériau observées par l'équipe.

"Notre étude est la première à mettre en évidence un nouveau mécanisme qui donne lieu à un sous-réseau de centres de Jahn-Teller. Plutôt que d'être formé par des atomes d'impuretés, comme c'est normalement le cas, le sous-réseau est constitué de certains des atomes du cristal hôte, ", a déclaré Vladimir Gudkov, professeur à l'Université fédérale de l'Oural.

L'émergence du sous-réseau de Jahn-Teller dans le cristal conduit à des propriétés inhabituelles et potentiellement précieuses. Par exemple, les sous-systèmes magnétiques qui naissent dans le matériau peuvent être utilisés dans une mémoire informatique ultrarapide, remagnétisé par rayonnement térahertz, également connu sous le nom d'ondes T.