一種特殊晶體的電磁特性以一種非常不尋常的方式聯繫在一起——這種現象是在維也納大學發現並解釋的。
電和磁是密切相關的:電線產生磁場，發電機中的旋轉磁鐵產生電力。然而，這種現象要複雜得多:某些材料的電磁特性也是相互耦合的。某些晶體的電學特性會受到磁場的影響，反之亦然。在這種情況下，我們說的是“磁電效應”。“它在技術上扮演著重要的角色，例如在某些類型的傳感器或在尋找數據存儲的新概念方面。
研究了一種特殊的材料，乍一看，這種材料根本不會產生磁電效應。但現在仔細的實驗表明，這種效應可以在這種材料中觀察到，只是它的工作原理與平常完全不同。它可以用一種高度敏感的方式來控制:即使是磁場方向上的微小變化也能將材料的電學特性轉變為一種完全不同的狀態。
對稱控制耦合
“晶體的電磁特性是否耦合取決於晶體的內部對稱性，”維恩理工大學固體物理研究所的Andrei Pimenov教授說。“如果晶體具有高度的對稱性，例如，如果晶體的一側正好是另一側的鏡像，那麼從理論上講，就不可能存在磁電效應。”
Lukas Weymann在你的實驗室裡。
這也適用於晶體，現在已經被詳細研究過了——一種由鑭、鎵、硅和氧摻雜的鈥原子構成的所謂的langasite。“晶體結構是如此對稱，實際上應該不允許任何磁電效應。在弱磁場的情況下，晶體的電學性質確實沒有任何耦合。“但如果我們增加磁場強度，就會發生一些不同尋常的事情:鈥原子改變了它們的量子態，並獲得了磁矩。這打破了晶體內部的對稱性。”
從純粹的幾何角度來看，晶體仍然是對稱的，但是原子的磁性也必須被考慮進去，這就是破壞對稱性的原因。因此，可以通過磁場改變晶體的電極化。“極化是指晶體中的正電荷和負電荷相對於彼此發生了一點位移，”Pimenov解釋說。“使用電場很容易實現這一點，但由於磁電效應，使用磁場也可以實現。”
重要的不是力量，而是方向
磁場越強，其對電極化的影響就越強。“極化和磁場強度之間的關係是近似線性的，這沒什麼不尋常的，”安德烈·皮門諾夫說。“然而，值得注意的是，極化和磁場方向之間的關係是強非線性的。如果你改變磁場的方向一點點，極化就會完全改變。這是磁電效應的一種新形式，以前是不知道的。“所以一個小的旋轉可能決定磁場是否能改變晶體的電極化。
新存儲技術的可能性
“磁電效應將在各種技術應用中發揮越來越重要的作用，”安德烈·皮門諾夫說。“下一步，我們將嘗試用電場改變磁場的性質，而不是用磁場改變電的性質。原則上，這應該是完全一樣可能的。”
如果成功，這將是一種很有前途的在固體中存儲數據的新方法。“在像計算機硬盤這樣的磁性存儲器中，磁場在今天是必需的，”Pimenov解釋說。“它們是由線圈產生的，需要相當大的能量和時間。如果有一種方法可以通過電場直接改變固態存儲器的磁性，這將是一個突破。”
參考文獻:《順磁稀土langasite中的不尋常磁電效應》，作者:Lukas Weymann, Lorenz Bergen, Thomas Kain, Anna Pimenov, Alexey Shuvaev, Evan Constable, David Szaller, Boris V. Mill, Artem M. Kuzmenko, Vsevolod Yu。伊萬諾夫，Nadezhda V. Kostyuchenko, Alexander I. Popov, Anatoly K. Zvezdin, Andrei Pimenov, Alexander A. Mukhin和Maxim Mostovoy, npj量子材料，2020年9月7日。DOI: 10.1038 / s41535 - 020 - 00263 - 9
