Al rebotar los neutrones de los átomos de itrio manganita YMnO3 calentado a 3.000 grados Fahrenheit, los investigadores han descubierto los mecanismos atómicos que le dan al material inusual sus propiedades electromagnéticas raras. El descubrimiento podría ayudar a los científicos a desarrollar nuevos materiales con propiedades similares para la computación novedosadispositivos y microaccionadores.
El experimento se realizó en colaboración entre la Universidad de Duke y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge ORNL y apareció en línea en Comunicaciones de la naturaleza el 2 de enero de 2018.
Ferromagnetismo es el término científico para el fenómeno responsable de los imanes permanentes como el hierro. Tales materiales existen porque su estructura molecular consiste en pequeños parches magnéticos que apuntan en la misma dirección. Se dice que cada parche o dominio tiene un dipolo magnéticomomento, con un polo norte y un polo sur, que, sumados, producen los campos magnéticos que tan a menudo se ven en el trabajo en las puertas del refrigerador.
La ferroelectricidad es una propiedad similar, pero más rara y difícil de conceptualizar. De la misma manera que un imán permanente, un material ferroeléctrico consiste en dominios con momentos dipolares eléctricos alineados entre sí. Esto produce un campo eléctrico permanente natural,como una colección de globos microscópicos con una carga duradera de electricidad estática.
La manganita de itrio es uno de los pocos materiales que combina la propiedad ferroeléctrica y el orden magnético a temperaturas extremadamente frías. Esta rara combinación presenta la posibilidad interesante de controlar las propiedades magnéticas del material con electricidad y viceversa. Aprovechar esta capacidad podría permitirLos científicos crean computadoras más eficientes basadas en estados de cuatro dígitos en lugar de solo los 1s y 0s de hoy en día cambiando los estados eléctricos y magnéticos, así como nuevos tipos de sensores y convertidores de energía.
"Estos denominados materiales multi-ferroicos son muy raros", dijo Olivier Delaire, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de materiales y física en Duke. "Pero si podemos entender los mecanismos de lo que está sucediendo a nivel atómico"., tenemos una mejor oportunidad de diseñar y descubrir más materiales que permitan nuevas tecnologías ".
Debido a que el comportamiento ferroeléctrico del itrio manganita solo se apaga por encima de los 3000 grados Fahrenheit, los investigadores nunca han podido sondear las ondas de vibración atómica que producen la disposición deseada de los dipolos eléctricos microscópicos. Mientras que las bases moleculares de las propiedades ferroeléctricas del itrio manganita se han teorizado, nunca ha habido mediciones directas para probarlas.
Para determinar cómo surge la propiedad, los investigadores deben sondear las vibraciones en forma de onda del apilamiento de átomos en el material, que oscilan a frecuencias de más de mil mil millones de veces por segundo. También deben hacerlo tanto por encima como por debajo de los 3000 gradostemperatura de conmutación ferroeléctrica, que es una tarea difícil, por decir lo menos. Pero eso es precisamente lo que hicieron los investigadores.
"Fue difícil medir las oscilaciones atómicas por encima de 3000 Fahrenheit", dijo Dipanshu Bansal, un investigador postdoctoral en el grupo de investigación Delaire en Duke y el autor principal del estudio. "Se requerían haces de neutrones de alta intensidad, especiales de alta intensidad".materiales de temperatura y un horno de atmósfera controlada que calientan la muestra en el aire para evitar la descomposición de la muestra, que de lo contrario sucedería en un horno de vacío más estándar ".
Los experimentos involucraron disparar la muestra extremadamente caliente de itrio manganita con neutrones. Al detectar dónde terminaron los neutrones después de colisionar con los átomos de la muestra, los investigadores pudieron determinar dónde estaban los átomos y cómo oscilaban colectivamente. Hay muy pocos lugaresen el mundo que tiene tales capacidades, y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, a pocas horas en automóvil de Duke, alberga tanto el Reactor de isótopos de alto flujo como la Fuente de neutrones de espalación, la fuente más poderosa de haces de neutrones en el mundo.
Los investigadores probaron el material usando neutrones a varias energías y longitudes de onda, dando una imagen general de sus comportamientos atómicos. Descubrieron que por encima de la temperatura de transición, cierto grupo de átomos era libre de moverse y vibrar juntos de una manera particular.Pero a medida que el material se enfría y cambia de fase, esos átomos se congelan en la disposición cristalina permanente que es responsable de las propiedades ferroeléctricas.
Y para confirmar los resultados de neutrones, los investigadores también utilizaron los rayos de rayos X ultrabrillantes en la Fuente Avanzada de Fotones en el Laboratorio Nacional de Argonne y realizaron simulaciones cuánticas a gran escala del comportamiento atómico con las supercomputadoras de la National Energy Research Scientific ComputingCentro en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
"Este material nunca antes se entendió en un nivel atomístico tan fino", dijeron Bansal y Delaire. "Hemos tenido teorías sobre la importancia de las oscilaciones atómicas, pero esta es la primera vez que las confirmamos directamente. Nuestro experimentoLos resultados permitirán a los investigadores refinar teorías y crear mejores modelos de estos materiales para que podamos diseñar aún mejores en el futuro ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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