Multiferroiska material är material som uppvisar mer än en ferroisk egenskap, vanligtvis ferroelektricitet (dvs. en spontan elektrisk polarisering som kan reverseras av elektriska fält) och ferromagnetism (dvs. spontan magnetisk ordning av elektroners spinn). Dessa material har visat sig lovande för utvecklingen av olika nya tekniker, bland annat spintronik, en teknik som utnyttjar elektroners spinn för att bearbeta och lagra information.
Hittills har fysiker och materialforskare upptäckt två olika typer av multiferroiska material, kallade typ I och typ II. I typ I uppstår ferroelektricitet och magnetism oberoende av varandra genom olika fysikaliska mekanismer, medan ferroelektriciteten i typ II drivs av magnetisk ordning.
Forskare vid Nanjing University of Science and Technology har nyligen förutsagt existensen av en tredje typ av multiferroiska material, kallad typ III, där magnetism drivs av ferroelektricitet. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters, kan inspirera framtida insatser för att identifiera material med de egenskaper de beskriver, vilket kan vara mycket fördelaktigt för utvecklingen av spintronik och andra minnes- och informationsbehandlingssystem.
”Vårt senaste arbete syftar till att utforska multiferroiska material som möjliggör elektrisk styrning av magnetism”, säger Chengxi Huang, medförfattare till artikeln, till Phys.org. ”Att styra magnetism med elektriska fält har stor potential för att skapa billiga och icke-flyktiga minnesenheter.
”Det är dock fortfarande en stor utmaning eftersom de flesta material inte uppvisar tillräckligt starka växelverkan mellan sina magnetiska och elektriska egenskaper, ett fenomen som kallas magnetoelektrisk effekt. Multiferroiska material, som kombinerar både magnetism och elektrisk polarisation (ferroelektricitet), erbjuder en möjlig lösning.”
Pålitlig kontroll av magnetism i material med hjälp av elektriska fält är avgörande för utvecklingen av högpresterande spintronik. Trots sin potential har de två typer av multiferroiska material som hittills identifierats betydande begränsningar, vilket gör dem opraktiska för elektrisk styrning av magnetism i verkliga enheter.
Schematisk bild av den fysikaliska mekanismen för ferroelektrisk magnetism. Källa: Jiang et al
Typ I-multiferroiska material har en svag magnetoelektrisk koppling, vilket innebär att de inte effektivt kopplar samman magnetism och elektriska fält. Å andra sidan uppvisar typ II-multiferroiska material en mycket begränsad elektrisk polarisering (dvs. de separerar inte laddningar särskilt starkt, även i ferroelektriskt tillstånd).
För att underlätta utvecklingen av spintroniska enheter började Huang och hans kollegor undersöka förekomsten av andra typer av multiferroiska material. Som en del av sin senaste studie använde de avancerade beräkningsmetoder baserade på täthetsfunktionalteori för att studera egenskaperna hos multiferroiska material.
”Vi har teoretiskt föreslagit en ny klass av material, kallad typ III-multiferroiska material, där magnetismen drivs direkt av ferroelektricitet, och avslöjat en allmän mikroskopisk mekanism för magnetoelektrisk koppling”, förklarar Huang. ”Typ III-multiferroiska material kan potentiellt erbjuda både stark magnetoelektrisk effekt och betydande elektrisk polarisering, vilket gör dem till idealiska kandidater för effektiv elektrisk styrning av magnetism.”
Om deras existens bekräftas kan typ III-multiferroiska material spela en nyckelroll i utvecklingen av nästa generations minnesenheter och logiska kretsar. Hittills har Huang och hans kollegor endast visat att de kan existera teoretiskt enligt beräkningsresultat, men deras arbete kan snart inspirera andra forskargrupper att söka efter material som uppvisar den ferroelektrisitetsdrivna magnetism som de har beskrivit.
”För närvarande är det fortfarande svårt att experimentellt verifiera typ III-multiferroika material på grund av bristen på potentiella kandidater, så det första vi planerar att göra är att tillhandahålla en databas med typ III-multiferroiska strukturer via högkapacitetsberäkningar”, tillägger Huang.
”Utöver detta finns det många viktiga och grundläggande frågor som förtjänar ytterligare undersökning inom detta område, såsom magnetoelektriska egenskapers temperaturberoende och deras reaktioner på yttre elektriska och magnetiska fält. Vi kommer att arbeta med dessa i vår framtida forskning.”
Mer information: Jintao Jiang et al, Ferroelectricity-Driven Magnetism in a Metal Halide Monolayer, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.196801
