顛覆未來的磁電多鐵材料

時間:2017-05-19 來源:網絡 作者:佚名 收藏到我的收藏夾
簡介:30 December 2016 PSI研究員 Mickal Morin和Marisa Medarde凍結了多鐵性材料YBaCuFeO5的原子排列。首先將該材料在烘箱中加熱至1000℃,然后丟入充滿液氮的溫度為-200℃的容器中。 瑞士Paul S

30 December 2016

 

PSI研究員 Mickal Morin和Marisa Medarde凍結了多鐵性材料YBaCuFeO5的原子排列。首先將該材料在烘箱中加熱至1000℃,然后丟入充滿液氮的溫度為-200℃的容器中。

瑞士Paul Scherrer研究所(PSI)的研究人員開發了一種新材料,該材料可用于制備未來數據存儲設備,從而使該設備需要消耗的能量比現在的硬盤驅動器低得多。該材料是一種磁電多鐵性材料,其區別特征在于它們的磁性能和電性能彼此耦合。

多虧了這種耦合,從而有望通過高能效電場來寫磁位,允許這類材料作為未來計算機存儲器的基礎材料。這種新開發的多鐵性材料的優點在于即使在室溫下,它也可以表現出必要的磁性,而不是像迄今為止的大多數磁電多鐵性材料需要冷卻到極低的溫度(約-200°C)才能表現出磁性。PSI的研究人員在Nature Communications報道了他們的新成果。

在磁電多鐵性材料中,磁性和電性能彼此耦合,可以通過施加電場來控制磁性,而電場比磁場更容易和有效地產生。“當電磁場施加到磁電多鐵性材料時,它對材料的電性能有影響”該論文的主要作者Marisa Medarde解釋道,“通過磁電耦合,您可以輕易地改變磁性”。

當今的計算機硬盤驅動器是通過施加磁場寫入磁位的形式來存儲數據。相比之下,基于多鐵性材料的存儲介質將具有一些優點。磁存儲可以通過施加電場來實現,且需要的能量更少,設備將產生更少的廢熱,更低的冷卻需求,從而減少風扇和空調的使用。考慮到云計算每年消耗數萬億千瓦時的電力,因此在這方面的節約將顯得非常重要。

研究人員通過精準控制化學成分和精確的生產工藝來提取新材料。他們最終發現,具有化學式YBaCuFeO5的材料如果加熱到高溫,然后經受極快的冷卻,則成為有效的磁電多鐵。“在高溫下,原子自主排列對我們實現想法極其有用。”Medarde解釋說,“快速冷卻可以讓原子以適當的方式按一定的排列順序被凍結住。”

快速冷卻的基本方法(也稱為淬火),在特別硬的金屬的制造中被人們所熟悉,這種方法已經使用了幾個世紀,例如在回火鋼寶劍的應用。然而PSI的研究人員

施加更極端的溫度。他們首先將材料加熱至1000℃,然后突然快速冷卻至-200℃。從冷卻浴中取出該材料后,當溫度恢復到室溫時它仍保持其特定的磁性。

PSI開發合成方法和性能優化方法,生產了該材料,并在兩個大型研究所瑞士散裂中子源(SINQ)和瑞士光源(SLS)進行分析。“我們的新材料不含昂貴的成分。”Medarde說,“而且現在我們已經確定了該生產方法的細節,使其變得容易實施”。

新材料的性質歸因于在原子水平上存在所謂的磁性螺旋,這些微小的螺旋負責磁性和鐵電性的耦合。在大多數材料中,當材料溫度高于-200°C時磁性螺旋將會消失。 PSI研究人員發現,他們發明了一種在室溫下磁性螺旋保持穩定的材料。“即使在30°C,磁性螺旋依然存在。”Medarde說。

該材料YBaCuFeO5不是全新的,實際上在1988年它已經第一次被合成。但是PSI研究人員的特殊制造工藝精確地布置鐵和銅原子,使得材料獲得完全新的性能。YBaCuFeO5與釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3O6 x)緊密相關,釔鋇銅氧化物是在1987年發現的一組超導體,其在超高溫下保持超導性能。

延伸閱讀

磁電多鐵是鐵磁性和鐵電性同時發生在同一相的材料,允許鐵磁性和鐵電相發生耦合。


半導體襯底上集成多鐵性材料可制備先進設備重要部分的集成:1)磁性和2)鐵電體。

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