Добавление титана изменило решетку мультиферроика

Исследователи из России, Германии и США выяснили, что добавление титана в гексаферрит бария изменяет кристаллическую решетку материала и позволяет создать особую подструктуру в ней. Результаты работы, опубликованные в журнале Scientific Reports, позволят создать сверхбыструю компьютерную память.

Мультиферроики представляют собой материалы, которые обладают одновременно несколькими упорядочениями. Например, они могут одновременно быть сегнетоэлектриками (ферроэлектриками) и ферромагнетиками. Свойства этих материалов можно изменять направленным образом, благодаря чему они находят применение в технологиях сверхбыстрой магнитной памяти, терагерцовой телекоммуникации или антирадарных покрытиях.

Используя терагерцовую спектроскопию и исследование поглощения и скорости ультразвука ученые из МФТИ, УрФУ, ЮУрГУ и ФТИ им. А. Ф. Иоффе совместно с зарубежными коллегами смогли провести анализ кристаллической решетки гексаферрита бария с примесью титана. В результате авторы смогли увидеть интересные особенности в поведении материала.

В результате работы исследователи нашли объяснение необычным оптическим и акустическим свойствам материала. Они выяснили, что при добавлении титана в гексаферрите бария меняется структура подрешетки ионов железа. Часть атомов железа под влиянием примеси меняет свою степень окисления и образует подструктуру в основной решетке — так называемую ян-теллеровскую подрешетку.

Это связано с тем, что при добавлении примеси в основную решетку новые атомы встраиваются в структуру, заменяя «старые». Если в гексаферрит бария добавить титан, он начинает занимать место некоторых атомов железа. При этом атомы титана и железа находятся в разных валентных состояниях. Когда маленький четырехвалентный ион титана замещает трехвалентный ион железа, решетка искажается и нарушается ее электронейтральность. Но кристалл в целом должен быть нейтрален, поэтому часть атомов железа переходят в двухвалентное состояние, чтобы компенсировать возникший заряд.

«Мы впервые обнаружили новый механизм формирования подрешетки ян-теллеровских центров. В нашем случае ее образуют не атомы примеси, как это обычно происходит, а часть атомов исходного кристалла», — рассказывает один из исследователей, профессор Уральского федерального университета Владимир Гудков.

Подрешетка Яна — Теллера в структуре придает материалу необычные свойства. Она позволяет управлять магнитными подсистемами с помощью электрического поля, например, с помощью терагерцовых волн можно перемагничивать биты сверхбыстрой компьютерной памяти.