بررسی یک رژیم نوین برای مولتی‌فرئیک‌ها

فیزیک 18, 189

مواد مولتی‌فرئیک — که هم ترتیب مغناطیسی و هم قطبش فرارسانه‌ای به‌صورت خودبه‌خود در آن‌ها ظاهر می‌شود — برای کاربردهای بالقوهٔ خود در رایانه‌های مبتنی بر اسپین، حسگرها و دستگاه‌های استخراج انرژی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. در کارهای نظری، دو گروه مستقل که به ترتیب در دانشگاه علم و فناوری نانجینگ [1] و مؤسسه فناوری بیژن [2] مستقرند، یک کلاس جدید از مولتی‌فرئیک را پیشنهاد کرده‌اند که می‌تواند این نقش‌ها را به‌صورت مؤثرتری ایفا کند. هر دو مطالعه به مواد دو‑بعدی می‌پردازند، اما در ترکیب این مواد و مکانیزم‌های ایجاد ترتیب مغناطیسی و فرارسانه‌ای تفاوت دارند.

برای اکثر کاربردهای بالقوهٔ آنها، مواد مولتی‌فرئیک باید هم ترتیب مغناطیسی و هم قطبش الکتریکی را در همان بازهٔ فشار‑دما نشان دهند. این دو رفتار باید بر یکدیگر تأثیر بگذارند، به‌طوری که بسته به کاربرد، ترتیب مغناطیسی بتواند به‌صورت الکتریکی کنترل شود یا قطبش الکتریکی به‌صورت مغناطیسی. با این حال، اکثر مولتی‌فرئیک‌های تاکنون کشف‌شده در یکی از این جنبه‌ها نقص دارند.

در موادی که به‌عنوان مولتی‌فرئیک‌های نوع‑I شناخته می‌شوند، ترتیب مغناطیسی و قطبش الکتریکی از مکانیزم‌های جداگانه‌ای ناشی می‌شوند که به‌صورت ضعیف به‌هم مرتبط هستند و لزوماً تحت همان شرایط هم‌زمان رخ نمی‌دهند. در مولتی‌فرئیک‌های نوع‑II، قطبش الکتریکی مستقیماً از ترتیب مغناطیسی منشأ می‌گیرد — به‌این معنی که می‌توان آن را به‌صورت مغناطیسی کنترل کرد — اما این قطبش معمولاً ضعیف است و کارایی مواد را محدود می‌کند. هر دو گروه نانجینگ و بیژن پیش‌بینی می‌کنند که نوع سومی وجود دارد، هرچند که این دو تیم برچسب «نوع‑III» را به‌روش‌های متفاوتی به کار می‌برند.

پژوهشگران نانجینگ مولتی‌فرئیک نوع‑III را به‌عنوان ماده‌ای تعریف می‌کنند که جهت علّی آن برعکس نوع‑II است: ترتیب مغناطیسی توسط ترتیب فرارسانه‌ای ایجاد و کنترل می‌شود. آن‌ها با استفاده از محاسبات اصولی، یک لایه تک‌لایه‌ای یدید ایندیم (III) را که یون‌های مس به آن جذب شده‌اند (ترکیبی که به نام Cu‑InI₃ می‌شناسند) مدل‌سازی کردند. این یون‌های مس در فضاهای خالی شبکه InI₃ جای می‌گیرند و باعث می‌شوند لایه تک‌لایه‌ای به‌صورت خمیده‌شده‌ای تغییر شکل دهد که تقارن وارونگی فضایی آن را از بین ببرد — شرطی اساسی برای بروز فرارسانه‌ای. برخلاف مولتی‌فرئیک‌های معمولی نوع‑II، جداسازی بار ایجادشده در هر سلول واحد توسط این شکست خودبه‌خودی تقارن به‌اندازهٔ کافی بزرگ است تا قابل استفاده باشد.

خمیدگی همچنین فاصلهٔ بین یون‌های مس و ایندیم را افزایش می‌دهد، که منجر به ترتیب مغناطیسی می‌شود که در InI₃ خالص وجود ندارد. پژوهشگران محاسبه می‌کنند که این اثر مغناطیسی می‌تواند به‌صورت الکتریکی کنترل شود، چرا که یک میدان الکتریکی اعمال‌شده می‌تواند این فواصل را تغییر داده و در نتیجه بر مغناطیس‌پذیری تأثیر بگذارد.

پژوهشگران بیژن رویکرد متفاوتی در دسته‌بندی مولتی‌فرئیک‌ها اتخاذ می‌کنند. ابتدا، آن‌ها مولتی‌فرئیک‌های نوع‑II را شامل موادی می‌دانند که در آن‌ها ترتیب مغناطیسی باعث ایجاد قطبش الکتریکی می‌شود یا برعکس، به‌طوری که لایهٔ تک‌لایه‌ای Cu‑InI₃ تیم بیژن نمونه‌ای از مادهٔ نوع‑II است که اثر فرارسانه‌ای آن به‌طور غیرعادی قوی است. آن‌ها برچسب نوع‑III را برای مولتی‌فرئیک‌هایی رزرو می‌کنند که دو رفتار آن‌ها به‌طور مستقیم علت‌وار نیستند، اما به‌نهایت به‌هم‌پیوسته‌اند.

ماده‌ای که آن‌ها پیش‌بینی می‌کنند این خصوصیات را داشته باشد، لایهٔ تک‌لایه‌ای کادمیوم تیتانات (TiCdO₄) است. در مدل این ماده، نیاز یون‌های اکسیژن به اوربیتال‌های کامل توسط الکترون‌های اهدایی توسط یون‌های تیتانیوم و کادمیوم برآورده نمی‌شود. این کمبود الکترونی بر دو یون اکسیژن در هر سلول واحد متمرکز می‌شود و سلول را همزمان با عدم تعادل اسپین (فرومغناطیسی) و تغییر شکل شبکه (فرارسانه‌ای) باقی می‌گذارد. همبستگی بین این اثرات دو «دستگاه کنترل» ارائه می‌دهد: از یک سو، اعمال میدان الکتریکی می‌تواند یون‌های اکسیژن را جابجا کند تا اوربیتال‌های کمبودشان پر شوند و عدم تعادل اسپین خنثی شود؛ از سوی دیگر، اعمال میدان مغناطیسی می‌تواند اسپین‌های تنهاُمانده را معکوس کند و باعث تسهیل تغییر شکلی شود که مولد قطبش الکتریکی است.

«هر دو مقاله مسیرهای جالبی برای مطالعات تجربی ارائه می‌دهند»، می‌گوید نییل ماثور، فیزیک‌دان مواد از دانشگاه کمبریج، انگلستان. او بر این باور است که برای رسیدن به هدف نهایی—که برای او وارونگی مغناطیسی به‌وسیلهٔ الکتریسیته است—نیاز به کار بیشتری است. توانایی وارونگی ترتیب مغناطیسی می‌تواند پیشرفت چشمگیری برای فناوری ذخیره‌سازی مغناطیسی باشد. ماثور می‌گوید که هنوز واضح نیست آیا این لایه‌های مولتی‌فرئیک پیشنهادی می‌توانند چنین کنترلی فراهم کنند یا نه، زیرا برای تغییر وضعیت‌های مغناطیسی نیاز به تحریک قوی‌تری است.

سؤال فوری‌تر این است که آیا ترکیب‌های دقیق مدل‌سازی‌شده توسط دو تیم می‌توانند در آزمایشگاه ساخته شوند، چرا که هر دو مطالعه بر روی ویژگی‌های مولتی‌فرئیک تمرکز کرده‌اند و نه بر پایداری یا سهولت سنتز مواد. یوآنچانگ لی از تیم بیژن اشاره می‌کند که مسیرهای معقولی برای رشد و پایداری لایه‌های TiCdO₄ وجود دارد، در حالی که ارجون کان از گروه نانجینگ خاطرنشان می‌کند که ساختارهای فلزی‌جذب‌شده مانند Cu‑InI₃ نیز نشان داده شده‌اند. اما حتی اگر این لایه‌های تک‌لایه‌ای خاص عملی نباشند، می‌توانند گامی مهم در مسیر دستیابی به مواد کاربردی‌تر باشند. «مکانیزم‌های تشریح‌شده در این پژوهش‌ها می‌توانند جستجوی مواد شیمیایی‌تری که همبستگی مشابهی دارند، الهام‌بخش باشند»، می‌گوید فابیان فون رور، پژوهشگر مواد کوانتومی نوین در دانشگاه ژنو.

–Marric Stephens

ماریک استفنز ویراستار مکاتبه‌ای برای مجله فیزیک است که در بریستول، انگلستان مستقر است.