Τα πολυφερροϊκά υλικά (multiferroics) παρουσιάζουν ταυτόχρονα περισσότερες από μία «φερροϊκές» ιδιότητες, όπως ο σιδηρομαγνητισμός και ο σιδηροηλεκτρισμός. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημά τους είναι ότι επιτρέπουν τον έλεγχο των μαγνητικών τους καταστάσεων μέσω ηλεκτρικών πεδίων και το αντίστροφο, χάρη σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται μαγνητοηλεκτρική σύζευξη.
Η ιδιότητα αυτή θα μπορούσε να επιτρέψει την ανάπτυξη τεχνολογιών αιχμής, από ηλεκτρονικά χαμηλής ισχύος και διατάξεις σπιντρονικής μέχρι στοιχεία μη πτητικής μνήμης (nonvolatile memory), εξαιρετικά ευαίσθητους αισθητήρες και ηλιακά πάνελ. Μέχρι σήμερα όμως, η επίτευξη ισχυρής σύζευξης σε θερμοκρασία δωματίου παρέμενε εξαιρετικά δύσκολη.
Τώρα, μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο Zhejiang, την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών και το Ανατολικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας επινόησε μια στρατηγική για τον σχεδιασμό νέων πολυφερροϊκών υλικών, στα οποία τα ηλεκτρόνια ανακατανέμονται αυθόρμητα μεταξύ γειτονικών ατομικών στρωμάτων.
Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεών τους, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters, αναδεικνύουν τις δυνατότητες αυτών των υλικών για τη δημιουργία εξαιρετικά λεπτών, χαμηλής ισχύος και εύκαμπτων συσκευών.
«Μας κίνησε το ενδιαφέρον η μακροχρόνια παρατήρηση ότι οι αντισιδηρομαγνήτες προτιμούν τις μονωτικές καταστάσεις, ενώ οι σιδηρομαγνήτες ευνοούν τα μισογεμάτα μέταλλα», δήλωσε ο Γιουνχάο Λου, κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Αυτό μας οδήγησε στο ερώτημα: Μπορούμε να εκμεταλλευτούμε αυτή τη διαφορά για να δημιουργήσουμε έναν νέο τύπο πολυφερροϊκού υλικού, όπου η μεταφορά φορτίου μεταξύ δύο πανομοιότυπων στρωμάτων θα σταθεροποιεί ταυτόχρονα αντίθετες μαγνητικές δομές και θα παράγει σιδηροηλεκτρισμό;»
Τα νέα πολυφερροϊκά υλικά ενδοστρωματικής αυτο-προσθήκης προσμίξεων
Βασισμένη σε προηγούμενες έρευνες, η ομάδα ανέπτυξε μια στρατηγική για τη δημιουργία μιας νέας κατηγορίας υλικών, τα οποία ονομάστηκαν πολυφερροϊκά υλικά ενδοστρωματικής αυτο-προσθήκης προσμίξεων (interlayer self-doping multiferroics).
Τα υλικά αυτά αναμένεται να εμφανίζουν ισχυρή μαγνητοηλεκτρική σύζευξη χωρίς να βασίζονται στη σύζευξη σπιν-τροχιάς (spin-orbit coupling – SOC), όπως συμβαίνει συνήθως στα συμβατικά πολυφερροϊκά συστήματα.
«Η προτεινόμενη στρατηγική μας ξεκινά με μια δισδιάστατη (2D) μονοστοιβάδα που έχει “ενδιάμεσο” γέμισμα ζώνης – πράγμα που σημαίνει ότι η αντισιδηρομαγνητική και η σιδηρομαγνητική της κατάσταση είναι σχεδόν εκφυλισμένες ενεργειακά», εξήγησε ο Λου.
«Όταν στοιβάζουμε δύο τέτοιες μονοστοιβάδες για να σχηματίσουμε μια διστοιβάδα, τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται αυθόρμητα από το ένα στρώμα στο άλλο (αυτο-προσθήκη προσμίξεων). Το στρώμα που χάνει ηλεκτρόνια αποκτά προσμίξεις οπών και σταθεροποιεί τον αντισιδηρομαγνητισμό, ενώ το στρώμα που κερδίζει ηλεκτρόνια αποκτά προσμίξεις ηλεκτρονίων και σταθεροποιεί τον σιδηρομαγνητισμό. Αυτή η ασυμμετρία παράγει μια ηλεκτρική πόλωση εκτός επιπέδου».
Στο πλαίσιο της μελέτης, οι ερευνητές εξέτασαν τη δυναμική αυτών των υλικών μέσω ηλεκτρονικών προσομοιώσεων βασισμένων σε κβαντομηχανική θεωρία (υπολογισμοί πρώτων αρχών – first-principles calculations), εστιάζοντας σε δύο υλικά με διαφορετική σύσταση.
«Αποδείξαμε τη θεωρητική ισχύ της ιδέας μας σε διστοιβάδες CrTe2 και FeTe2», σημείωσε ο Λου. «Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι αυτά τα υλικά παρουσιάζουν αυθόρμητη μεταφορά φορτίου, σημαντική πόλωση και – ειδικά για το CrTe2 – μια προβλεπόμενη θερμοκρασία σιδηροηλεκτρικής μετάβασης γύρω στα 350 K, η οποία βρίσκεται πολύ πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου».
Νέες προοπτικές για εύκαμπτα ηλεκτρονικά χαμηλής ισχύος
Αυτή η νέα κατηγορία πολυφερροϊκών υλικών διαφέρει ριζικά από τους δύο κύριους τύπους που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα (τύπου Ι και τύπου ΙΙ). Αν και τα δημοσιευμένα αποτελέσματα είναι θεωρητικά, πρόσφατα πειραματικά δεδομένα επιβεβαίωσαν την ύπαρξη πολυφερροϊκών ιδιοτήτων σε θερμοκρασία δωματίου για τη διστοιβάδα CrTe2, επικυρώνοντας τη σταθερότητα της πρότασης της ομάδας.
«Εισηγάγαμε έναν γενικό μηχανισμό, ελεύθερο από τη σύζευξη σπιν-τροχιάς, ο οποίος μπορεί να υλοποιηθεί σε κοινά υλικά van der Waals», κατέληξε ο Λου. «Στην πράξη, αυτό ανοίγει τον δρόμο για πολυφερροϊκές συσκευές θερμοκρασίας δωματίου με πάχος μόλις λίγων ατόμων, επιτρέποντας τον έλεγχο του μαγνητισμού μέσω ηλεκτρικού πεδίου για σπιντρονική χαμηλής ισχύος, μη πτητικές μνήμες και εύκαμπτα ηλεκτρονικά».
Στο μέλλον, η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει να επεκτείνει την αναζήτηση και σε άλλες δισδιάστατες ενώσεις μετάλλων μετάπτωσης και ετεροδιστοιβάδες (δομές όπου στοιβάζονται δύο διαφορετικά υλικά ατομικού πάχους). Παράλληλα, στοχεύει σε πειραματικές συνεργασίες για την κατασκευή διατάξεων ελεγχόμενων από πύλη (gate-controlled devices), οι οποίες θα επιδεικνύουν την ηλεκτρική μεταγωγή του μαγνητισμού σε πραγματικές συνθήκες.