اثر مگنتوالکتریک

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

اثر مگنتوالکتریک (ME) پدیده ای است که با اعمال کردن میدان الکتریکی( مغناطیسی)بتوانیم قطبش مغناطیسی(الکتریکی) القا کنیم.این اثرات میتواند نسبت به میدان های خارجی خطی و یا غیر خطی باشند. در حالت کلی، این اثر به دما بستگی دارد.این اثر می تواند به صورت زیر بیان شود

P_i=\sum \alpha_{ij}H_j + \sum \beta_{ijk}H_jH_k+\ldots

M_i=\sum \alpha_{ij}E_j + \sum \beta_{ijk}E_jE_k+\ldots

که p قطبش الکتریکی است و M مغناطش است و E و H میدان الکتریکی و مغناطیسی میباشند و α و β پذیرفتاری های خطی و غیر خطی ME میباشند.

این اثر در مواد تک فازی و ترکیبی مشاهده شده است.بعضی از مثال های مگنتو الکتریک های تک فاز عبارتند ازcr2o3 و مواد مولتی فروییک ، که یک کوپلینگ بین مرتبه پارامترهای مغناطیس و الکتریک را نشان می دهد.[۱]

مگنتو الکتریک های ترکیبی ، ترکیبی از مواد کششی مغناطیسی(موادی که براثر مغناط‌يس تغيير شكل می دهند ‌) و مواد کششی الکتریکی (موادی که براثر میدان الکتریکی تغيير شكل می دهند) مانند مواد فرومغناطیس و مواد پیزو الکتریک می باشد.اندازه این اثر به ساز و کار میکروسکوپی بستگی دارد.

در مگنتو الکتریک های تک فاز این اثر ناشی از کوپلینگ بین مرتبه پارامتر های الکتریکی و مغناطیسی می باشد ، همانطور که در بعضی از مولتی فروییک ها مشاهده شده است.

در مواد ترکیبی این اثر از اثر کوپلینگ سطحی ، مانند کشش ،نشات گرفته شده است.بعضی از کاربردهای امید بخش اثر ME عبارتند از جست و جوی حساس میدان های مغناطیسی، دستگاه های پیشرفته منطقی و فیلترهای میکرو ویو تنظیم پذیر.

واحد s/m) , α si) میباشد که با [(s/m]=1.1 x10−11 εr [V/(cm Oe] به واحد کاربردی [(V/(cm Oe] می تواند تبدیل شود.

تاریخچه اثر مگنتو الکتریک[ویرایش]

اثر مگنتوالکتریک اولین بارتوسط P. Curie در سال 1894 حدس زده شد در حالی که عبارت "magnetoelectric" بوسیله P. Debye در 1926 نسبت داده شد.[۲] [۳]

پیش گویی های دقیق تر در مورد کوپلینگ خطی بین قطبش الکتریکی و مغناطیسی در ابتدا توسط L.D. Landau و E. Lifshitz در یک کتاب از سری مشهور تئوری فیزیکیشان فرمولبندی شده است.[۴]

تنها در سال 1959 ، Dzyaloshinskii با استفاده از بحث تقارن توانست کوپلینگ خطی مگنتوالکتریک را در Cr2O3 بدست آورد.[۵] تایید تجربی تنها بعد از چند ماه وقتی که این اثر برای اولین بار توسط D. Astrov مشاهده شد بدست آمد.[۶]

علایق عمومی برای اندازه گیری اثر مگنتوالکتریک خطی منجر به سازماندهی یکسری کنفرانس MEIPIC (پدیده های برهمکنش مگنتو الکتریک در کریستال) شد.

بین پیش بینی Dzyaloshinskii و ویرایش اول MEIPIC بیش از 80 ترکیب مگنتو الکتریکی پیدا شد.

اخیرا پیشرفت های تئوری و تکنولوژیکی باعث راه اندازی یک رنسانس در این مطالعات شده است و اثر مگنتو الکتریک هنوز به شدت مورد تحقیقات قرار می گیرد.

پیدایش اثر مگنتو الکتریک[ویرایش]

ناهمسانگردی تک- یون[ویرایش]

در کریستال ها جفت شدگی اسپین-اربیت برای ناهمسانگردي بلوري مغناطيسی تک-یون پاسخگو است که این باعث تعیین محور چرخش اسپین ها (مانند محورهای آسان) می شود.

میدان الکتریکی خارجی میتواند تقارن محلی دیده شده توسط یون های مغناطیسی را تغییر بدهد و هردوی قدرت ناهمسانگردی و جهت محورهای آسان را تحت تاثیر قرار دهد.

بنابراین ، نا همسانگردی تک-یون می تواند با میدان الکتریکی خارجی کوپل شود تا مرتبه های مختلف مغناطیسی را بچرخاند.

شرط تبادل متقارن(symmetric exchange striction)[ویرایش]

برهمکنش اصلی بین اسپین های گذار یون های فلزی در جامدها معمولا مشروط به تبادل می باشد.

این برهمکنش به جزئیات ساختار کریستال مانند طول پیوند بین یون های مغناطیسی و زاویه تشکیل یافته توسط پیوند ،بین یون های مغناطیسی و و یون های لیگاند(ligand) بستگی دارد.

تبادل متقارن می تواند هم مثبت و هم منفی و همچنین پاسخ اصلی برای مرتبه مغناطیسی می باشد.

همانطورکه قدرت تبادل متقارن به مکان مثبت نسبی یون ها ربط دارد،این باعث کوپل شدن اسپین به فونون ها می شود.

اگر مرتبه مغناطیسی بتواند تقارن معکوس را بشکند کوپلینگ اسپین ها به فونون ها توسط دوقطبی الکتریکی خالص می تواند اتفاق بیافتد.بنابراین تبادل متقارن می تواند راهی برای کنترل ویژگی های مغناطیسی بوسیله میدان الکتریکی خارجی فراهم آورد.


کشش برای کنترل اثر چندساختاری مگنتوالکتریک[ویرایش]

استراتژی لایه نازک ما را قادر می سازد تا کوپلینگ مولتی فروییک ، بوسیله راه مکانیکی در ساختارهای چندین گانه که شامل مولفه های مگنتو الاستیک و پیزوالکتریک می باشد عملی شود. [۷]

این نوع ساختار چندگانه ،از لایه نشانی لایه نازکی از مگنتوالاستیک روی زیرلایه پیزو الکتریک تشکیل شده است.برای این سیستم،به کاربردن میدان مغناطیسی منجر به القای تغییر در ابعاد لایه مگنتو الاستیک می شود.این فرایند به مگنتواستریکشن معروف است که منجر به تغییر کشش در لایه مگنتو الاستیک می شود و این هم به سطح زیرلایه پیزوالکتریک انتقال می یابد.

در نتیجه یک قطبش در حین یک فرایند پیزوالکتریک به زیر لایه اعمال می شود.در واقع کل این اثر این است که قطبش زیرلایه فروالکتریک را بوسیله میدان مغناطیسی می توانیم کننترل کنیم.(اثر مگنتوالکتریک)

در این مورد سطح مشترک نقش مهمی را در تنظیم پاسخ از یکی به دیگری بازی می کند که باعث می شود مقدار کوپلینگ مگنتوالکتریک را متوجه شویم.[۸]

برای کوپلینگ موثر ،ما به سطح مشترک با کیفیت بالا و کشش بهینه نیاز مندیم.برای رسیدن به این نیاز ،تکنیک های لایه نشانی پیچیده برای ترکیب کردن این نوع لایه نازک چند ساختاری به کار گرفته شده است.

MBE (لایه نشانی بوسیله باریکه مولوکولی)نشان داده است که قابلیت لایه نشانی ساختارهای شامل پیزو الکتریک و مولفه های مگنتو استریکتیو را دارد. مواد مطالعه شده عبارتند از فریت کبالت,SrTiO3, BaTiO3, PMNT ،مگنتیت.[۹][۱۰][۱۱]

منابع[ویرایش]

  1. (C. W. Nan et al., J. App. Phys. 103, 031101 (2008
  2. (P. Curie J. Physique, 3i`eme s'erie III (1894
  3. (P. Debye Z. Phys. 36, 300 (1926
  4. L. Landau & E. Lifshitz "Electrodynamics of continuous media" Pergamon press
  5. L. Landau & E. Lifshitz "Electrodynamics of continuous media" Pergamon press
  6. (D. Astrov Sov. Phys. JETP 11, 708 (1960
  7. G. Srinivasan, et al, Physical Review B, vol. 65, Apr 2002.
  8. (J. F. Scott, Nature Mater. 6, 256 (2007
  9. S. Xie, J. Cheng, et al, App. Phys Lett, vol. 93, pp. 181901-181903, Nov 2008
  10. (M. Bibes, A. Barthélémy, Nature Mater. 7, 425 (2008
  11. J. J. Yang, Y.G. Zhao, et al, Applied Physics Letters,vol. 94, May 2009