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物理学家发现了奇怪的新磁电效应

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  一种特殊晶体的电磁特性以一种非常不寻常的方式联系在一起——这种现象是在维也纳大学发现并解释的。

  电和磁是密切相关的:电线产生磁场,发电机中的旋转磁铁产生电力。然而,这种现象要复杂得多:某些材料的电磁特性也是相互耦合的。某些晶体的电学特性会受到磁场的影响,反之亦然。在这种情况下,我们说的是“磁电效应”。“它在技术上扮演着重要的角色,例如在某些类型的传感器或在寻找数据存储的新概念方面。

  研究了一种特殊的材料,乍一看,这种材料根本不会产生磁电效应。但现在仔细的实验表明,这种效应可以在这种材料中观察到,只是它的工作原理与平常完全不同。它可以用一种高度敏感的方式来控制:即使是磁场方向上的微小变化也能将材料的电学特性转变为一种完全不同的状态。

  对称控制耦合

  “晶体的电磁特性是否耦合取决于晶体的内部对称性,”维恩理工大学固体物理研究所的Andrei Pimenov教授说。“如果晶体具有高度的对称性,例如,如果晶体的一侧正好是另一侧的镜像,那么从理论上讲,就不可能存在磁电效应。”

  

  Lukas Weymann在你的实验室里。

  这也适用于晶体,现在已经被详细研究过了——一种由镧、镓、硅和氧掺杂的钬原子构成的所谓的langasite。“晶体结构是如此对称,实际上应该不允许任何磁电效应。在弱磁场的情况下,晶体的电学性质确实没有任何耦合。“但如果我们增加磁场强度,就会发生一些不同寻常的事情:钬原子改变了它们的量子态,并获得了磁矩。这打破了晶体内部的对称性。”

  从纯粹的几何角度来看,晶体仍然是对称的,但是原子的磁性也必须被考虑进去,这就是破坏对称性的原因。因此,可以通过磁场改变晶体的电极化。“极化是指晶体中的正电荷和负电荷相对于彼此发生了一点位移,”Pimenov解释说。“使用电场很容易实现这一点,但由于磁电效应,使用磁场也可以实现。”

  重要的不是力量,而是方向

  磁场越强,其对电极化的影响就越强。“极化和磁场强度之间的关系是近似线性的,这没什么不寻常的,”安德烈·皮门诺夫说。“然而,值得注意的是,极化和磁场方向之间的关系是强非线性的。如果你改变磁场的方向一点点,极化就会完全改变。这是磁电效应的一种新形式,以前是不知道的。“所以一个小的旋转可能决定磁场是否能改变晶体的电极化。

  新存储技术的可能性

  “磁电效应将在各种技术应用中发挥越来越重要的作用,”安德烈·皮门诺夫说。“下一步,我们将尝试用电场改变磁场的性质,而不是用磁场改变电的性质。原则上,这应该是完全一样可能的。”

  如果成功,这将是一种很有前途的在固体中存储数据的新方法。“在像计算机硬盘这样的磁性存储器中,磁场在今天是必需的,”Pimenov解释说。“它们是由线圈产生的,需要相当大的能量和时间。如果有一种方法可以通过电场直接改变固态存储器的磁性,这将是一个突破。”

  参考文献:《顺磁稀土langasite中的不寻常磁电效应》,作者:Lukas Weymann, Lorenz Bergen, Thomas Kain, Anna Pimenov, Alexey Shuvaev, Evan Constable, David Szaller, Boris V. Mill, Artem M. Kuzmenko, Vsevolod Yu。伊万诺夫,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

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