Manyetoelektrik etki - Magnetoelectric effect

En genel haliyle, manyetoelektrik etki (ME), bir malzemenin manyetik ve elektriksel özellikleri arasındaki herhangi bir bağlantıyı ifade eder. Böyle bir etkinin ilk örneği, 1888'de Wilhelm Röntgen tarafından , bir elektrik alanında hareket eden bir dielektrik malzemenin manyetize olacağını bulan tarafından tanımlanmıştır . Böyle bir kuplajın özünde mevcut olduğu bir malzemeye manyetoelektrik denir .

Tarihsel olarak, bu etkinin ilk ve en çok çalışılan örneği lineer manyetoelektrik etkidir . Matematiksel olarak, elektriksel duyarlılık ve manyetik duyarlılık , bir elektriğe verilen elektrik ve manyetik polarizasyon yanıtlarını tanımlarken, resp. bir manyetik alan varsa, elektrik polarizasyonunun bir manyetik alana doğrusal bir tepkisini tanımlayan bir manyetoelektrik duyarlılık olasılığı da vardır ve bunun tersi de geçerlidir: ${\görüntüleme stili \chi ^{e}}$ ${\görüntüleme stili \chi ^{v}}$ $\alpha _{ij}$

P_{i}=\sum _{j}\epsilon _{0}\chi _{ij}^{e}E_{j}+\sum _{j}\alpha _{ij}H_{j }

\mu _{0}M_{i}=\sum _{j}\mu _{0}\chi _{ij}^{v}H_{j}+\sum _{j}\alpha _ {ij}E_{j},

Tensör her iki denklemde de aynı olmalıdır. Burada P elektrik polarizasyonu, M mıknatıslanma, E ve H elektrik ve manyetik alanlardır. ${\görüntüleme stili \alfa }$

SI birim olan pratik birimine dönüştürülebilir (metre bölü saniye) için: ${\görüntüleme stili \alfa }$ ${\frac {s}{m}}$ ${\frac {V}{cm~Oe}}$

$\alpha \left[{\frac {s}{m}}\sağ]=\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}\cdot {\frac {4\pi }{1000}}{\ frac {Oe}{A/m}}\cdot 100~{\frac {cm}{m}}\cdot \alpha \left[{\frac {V}{cm~Oe}}\sağ]=1.113\cdot 10^{-11}\varepsilon _{r}\cdot \alpha \sol[{\frac {V}{cm~Oe}}\sağ]$

CGS birimi için ( rasyonelleştirilmiş Gauss birimleri varsayılarak ):

$\alpha \left[birimsiz\sağ]=c\cdot \alpha \sol[{\frac {s}{m}}\sağ]/(4\pi )=2.386\cdot 10^{7}\ alfa \sol[{\frac {s}{m}}\sağ]$

ışığın boşluktaki hızı nerede . $c=2.998\cdot 10^{8}~m/s$

Gerçek bir lineer manyetoelektrik etkinin teorik olarak tahmin edildiği ve deneysel olarak doğrulandığı ilk malzeme Cr ₂ O _3'tür . Bu tek fazlı bir malzemedir. Multiferroikler , manyetik ve elektrik sıraları birleştirilirse genel bir manyetoelektrik etki gösterebilen tek fazlı malzemelerin başka bir örneğidir. Kompozit malzemeler, manyetoelektrikleri gerçekleştirmenin başka bir yoludur. Buradaki fikir, diyelim ki bir manyetostriktif ve bir piezoelektrik malzemeyi birleştirmektir. Bu iki malzeme, gerinim ile etkileşir ve bileşik malzemenin manyetik ve elektrik özellikleri arasında bir bağlantıya yol açar.

ME etkisinin bazı umut verici uygulamaları, manyetik alanların hassas tespiti, gelişmiş mantık cihazları ve ayarlanabilir mikrodalga filtreleridir.

Tarih

Bir manyetoelektrik etkinin ilk örneği, 1888'de , bir elektrik alanında hareket eden bir dielektrik malzemenin manyetize olacağını gösteren Wilhelm Röntgen tarafından tartışıldı . Bir (hareket etmeyen) malzemede içsel bir manyetoelektrik etki olasılığı, 1894'te P. Curie tarafından tahmin edildi, "manyetoelektrik" terimi ise 1926'da P. Debye tarafından icat edildi. Lineer manyetoelektrik etkinin matematiksel bir formülasyonu dahil edildi. LD Landau ve E. Lifshitz'in teorik fizik üzerine ünlü kitap serisi. Sadece 1959'da I. Dzyaloshinskii, zarif bir simetri argümanı kullanarak, Cr ₂ O _3'te lineer bir manyetoelektrik kuplaj formunu türetti . Deneysel doğrulama, etkinin ilk kez D. Astrov tarafından gözlemlenmesinden sadece birkaç ay sonra geldi. Lineer manyetoelektrik etkinin ölçülmesini izleyen genel heyecan, MEIPIC (Kristallerde Manyetoelektrik Etkileşim Olayları) konferanslarının düzenlenmesine yol açtı. I. Dzialoshinskii'nin öngörüsü ile MEIPIC'in ilk baskısı (1973) arasında, 80'den fazla lineer manyetoelektrik bileşik bulundu. Son zamanlarda, büyük ölçüde multiferroik malzemelerin ortaya çıkmasıyla yönlendirilen teknolojik ve teorik ilerleme, bu çalışmaların bir rönesansını tetikledi ve manyetoelektrik etki hala yoğun bir şekilde araştırılıyor.

fenomenoloji

Manyetik ve elektriksel özellikler arasındaki bağlantı analitik ise, o zaman manyetoelektrik etki, serbest enerjinin elektrik ve manyetik alanlarda bir güç serisi olarak genişlemesi ile tanımlanabilir ve : ${\görüntüleme stili E}$ ${\görüntüleme stili H}$

{\begin{hizalı}F(E,H)&=F_{0}-P_{i}^{s}E_{i}-\mu _{0}M_{i}^{s}H_ {i}-{\frac {1}{2}}\epsilon _{0}\chi _{ij}^{e}E_{i}E_{j}-{\frac {1}{2}}\ mu _{0}\chi _{ij}^{v}H_{i}H_{j}\\&\qquad -\alpha _{ij}E_{i}H_{j}-{\frac {1} {2}}\beta _{ijk}E_{i}H_{j}H_{k}-{\frac {1}{2}}\gamma _{ijk}H_{i}E_{j}E_{k }+\ldots \end{hizalanmış}}

Serbest enerjinin farklılaştırılması daha sonra elektrik polarizasyonunu ve manyetizasyonu verecektir . Burada ve statik polarizasyon, yani. malzemenin manyetizasyonu, oysa ve elektrik, yani. manyetik duyarlılıklar. Tensör , bir manyetik alan tarafından lineer olarak indüklenen bir polarizasyona karşılık gelen lineer manyetoelektrik etkiyi tanımlar ve bunun tersi de geçerlidir. Katsayılı daha yüksek terimler ve ikinci dereceden etkileri açıklar. Örneğin, tensör , bir elektrik alanı tarafından indüklenen lineer bir manyetoelektrik etkiyi tanımlar. $P_{i}=-{\frac {\kısmi F}{\kısmi E_{i}}}$ $M_{i}=-{\frac {1}{\mu _{0}}}{\frac {\kısmi F}{\kısmi H_{i}}}$ ${\görüntüleme stili P^{s}}$ ${\görüntüleme stili M^{s}}$ ${\görüntüleme stili \chi ^{e}}$ ${\görüntüleme stili \chi ^{v}}$ ${\görüntüleme stili \alfa }$ ${\görüntüleme stili \beta }$ ${\görüntüleme stili \gama }$ ${\görüntüleme stili \gama }$

Yukarıdaki açılımda görünen olası terimler, malzemenin simetrileri tarafından sınırlandırılmıştır. En önemlisi, tensör zaman-ters simetri altında antisimetrik olmalıdır . Bu nedenle, lineer manyetoelektrik etki yalnızca, örneğin Röntgens'in örneğindeki açık hareket veya malzemedeki içsel bir manyetik sıralama gibi, zamanın tersine çevrilmesi simetrisi açıkça kırılırsa meydana gelebilir. Buna karşılık, tensör , zaman-tersine simetrik malzemelerde kaybolmayan olabilir. ${\görüntüleme stili \alfa }$ ${\görüntüleme stili \beta }$

mikroskobik köken

Bir malzemede bir manyetoelektrik etkinin mikroskobik olarak ortaya çıkmasının birkaç yolu vardır.

Tek iyon anizotropi

Kristallerde, dönüşlerin oryantasyonu için tercih edilen eksenleri (kolay eksenler gibi) belirleyen tek iyonlu manyetokristalin anizotropiden spin-yörünge bağlantısı sorumludur . Harici bir elektrik alanı, manyetik iyonlar tarafından görülen yerel simetriyi değiştirebilir ve hem anizotropinin gücünü hem de kolay eksenlerin yönünü etkileyebilir. Böylece, tek iyonlu anizotropi, manyetik olarak düzenlenmiş bileşiklerin dönüşlerine harici bir elektrik alanı bağlayabilir.

Simetrik Değişim kısıtlaması

Katı geçiş metali iyonlarının spin arasındaki ana etkileşim genellikle tarafından sağlanan superexchange olarak da adlandırılan, simetrik değişimi . Bu etkileşim, manyetik iyonlar arasındaki bağ uzunluğu ve manyetik ve ligand iyonları arasındaki bağların oluşturduğu açı gibi kristal yapının ayrıntılarına bağlıdır. Manyetik yalıtkanlarda genellikle manyetik sıralama için ana mekanizmadır ve yörünge doluluklarına ve bağ açılarına bağlı olarak ferro- veya antiferromanyetik etkileşimlere yol açabilir. Simetrik değiş tokuşun gücü iyonların nispi konumuna bağlı olduğundan, spin yönelimlerini kafes yapısına bağlar. Manyetik düzen inversiyon simetrisini bozarsa, dönüşlerin bir net elektrik dipol ile toplu bir bozulmaya bağlanması meydana gelebilir. Böylece, simetrik değişim, bir harici elektrik alanı yoluyla manyetik özellikleri kontrol etmek için bir tutamaç sağlayabilir.

Gerilim tahrikli manyetoelektrik heteroyapılı etki

Gerilmeyi elektriksel polarizasyona (piezoelektrikler, elektrostriktifler ve ferroelektrikler) ve gerilimi manyetizasyona (manyetostriktif/ manyetoelastik /ferromanyetik malzemeler) bağlayan malzemeler mevcut olduğundan, bu malzemelerin kompozitlerini oluşturarak dolaylı olarak manyetik ve elektriksel özellikleri birleştirmek mümkündür. suşların birinden diğerine geçmesi için sıkıca bağlanmış.

İnce film stratejisi, bir manyetoelastik ve bir piezoelektrik bileşenden oluşan heteroyapılarda mekanik bir kanal aracılığıyla arayüzey multiferroik eşleşmenin elde edilmesini sağlar . Bu tip heteroyapı, bir piezoelektrik substrat üzerinde büyütülen epitaksiyel manyetoelastik bir ince filmden oluşur. Bu sistem için, bir manyetik alanın uygulanması, manyetoelastik filmin boyutunda bir değişikliğe neden olacaktır . Manyetostriksiyon adı verilen bu süreç, manyetoelastik filmdeki ara yüzey yoluyla piezoelektrik alt tabakaya aktarılabilen artık gerilme koşullarını değiştirecektir. Sonuç olarak, piezoelektrik işlem yoluyla substratta bir polarizasyon sağlanır.

Genel etki, ferroelektrik substratın polarizasyonunun, istenen manyetoelektrik etki olan bir manyetik alan uygulamasıyla manipüle edilmesidir (tersi de mümkündür). Bu durumda arayüz, bir bileşenden diğerine yanıtlara aracılık etmede, manyetoelektrik eşleşmeyi gerçekleştirmede önemli bir rol oynar. Verimli bir bağlantı için, optimum gerinim durumuna sahip yüksek kaliteli bir arayüz arzu edilir. Bu ilginin ışığında, bu tür ince film heteroyapılarını sentezlemek için gelişmiş biriktirme teknikleri uygulanmıştır. Moleküler ışın epitaksinin piezoelektrik ve manyetostriktif bileşenlerden oluşan yapıları biriktirme kabiliyetine sahip olduğu gösterilmiştir. İncelenen malzeme sistemleri arasında kobalt ferrit, manyetit, SrTiO3, BaTiO3, PMNT bulunmaktadır.

fleksomagnetoelektrik etki

Manyetik olarak tahrik edilen ferroelektrik ayrıca homojen olmayan manyetoelektrik etkileşimden kaynaklanır. Bu etki, homojen olmayan sıra parametreleri arasındaki eşleşme nedeniyle ortaya çıkar. Aynı zamanda fleksomagnetoelektrik etki olarak da adlandırıldı. Genellikle, Lifshitz değişmezi (yani tek sabit birleştirme terimi) kullanılarak açıklanır . Kübik genel durumda olduğu gösterilmiştir hexoctahedral kristal, dört fenomonolojik sabitleri yaklaşım doğrudur. Fleksomagnetoelektrik etki, spiral multiferroiklerde veya alan duvarları ve manyetik girdaplar gibi mikromanyetik yapılarda ortaya çıkar .

Mikromanyetik yapıdan geliştirilen ferroelektrik, herhangi bir manyetik malzemede, merkez simetrik olanda bile görünebilir. Alan duvarlarının simetri sınıflandırmasının oluşturulması, herhangi bir manyetik alan duvarının hacmindeki elektrik polarizasyon dönüşünün tipinin belirlenmesine yol açar. Manyetik alan duvarlarının mevcut simetri sınıflandırması, hacimlerinde elektriksel polarizasyon uzamsal dağılımının tahminleri için uygulandı. Hemen hemen tüm simetri grupları için tahminler, homojen olmayan manyetizasyonun homojen polarizasyon ile birleştiği fenomenoloji ile uyumludur . Simetri ve fenomenoloji teorisi arasındaki toplam sinerji , elektriksel polarizasyon uzamsal türevleri ile enerji terimleri dikkate alındığında ortaya çıkar.

Languages

In other projects