Investigadores de MIPT y sus colegas de la Universidad Federal de los Urales han combinado enfoques ópticos y acústicos y han descubierto que la incorporación de átomos de titanio en hexaferrita de bario conduce a la formación de una subestructura inesperada en la red cristalina. El material resultante es prometedor para aplicaciones de memoria ultrarrápida. Los hallazgos fueron publicados en Informes científicos .

Un multiferroico es un material caracterizado por más de un tipo de ordenamiento interno. Por ejemplo, puede exhibir propiedades ferroeléctricas y ferromagnéticas, dependiendo de la temperatura. Esto significa que el material sufre una polarización espontánea en un cierto rango de temperatura, y por debajo de otra temperatura crítica, se magnetiza incluso en ausencia de un campo magnético externo.

Los investigadores estudian las propiedades fundamentales de los multiferroicos para crear materiales con las características deseadas que se pueden alterar de manera controlada. Multiferroics son aplicables en dispositivos de memoria magnética ultrarrápidos, revestimientos antirreflejos, y transmisión rápida de datos a frecuencias de terahercios, es decir, en una billonésima de segundo.

Los investigadores fusionaron enfoques ópticos y acústicos en un experimento para investigar las propiedades de la hexaferrita de bario dopada con titanio. El estudio combinó la espectroscopia de terahercios con el análisis de la atenuación y velocidad de la onda de ultrasonido, revelando un comportamiento inusual del material.

"La óptica y la acústica son como la visión y el oído en el sentido de que se complementan en lugar de repetirse entre sí. Los dos canales juntos proporcionan una comprensión más completa de un objeto, "dijo Liudmila Alyabyeva, quien supervisa la investigación de multiferroics en el Laboratorio de Espectroscopía Terahertz del MIPT. "Siempre que dos técnicas experimentales muy diferentes demuestran que ciertos fenómenos ocurren a una temperatura particular, eso es una fuerte indicación de que algo está sucediendo en la muestra a nivel microscópico. Así que necesitamos identificar el mecanismo detrás de esos efectos ".

Los científicos encontraron una manera de explicar tanto las inusuales propiedades ópticas del material como las acústicas. Resultó que al incorporar titanio en hexaferrita de bario, la subred de hierro en el material se ve afectada. La presencia de átomos extraños hace que algunos de los átomos de hierro cambien su estado de oxidación y formen lo que se conoce como la subred de Jahn-Teller, una estructura secundaria dentro de la red cristalina del material.

Cuando se insertan átomos extraños en la red de un cristal, reemplazan algunos de los átomos del anfitrión. En el caso de la hexaferrita de bario, el titanio sustituye parte del hierro. Sin embargo, lo que hace que los dos elementos sean diferentes es que el hierro tiene una valencia de tres en hexaferrita, y el titanio es tetravalente. Esto significa que los iones de estos dos metales en el cristal difieren en su tamaño y carga eléctrica.

"Cuando un ion de hierro trivalente es reemplazado por el ion de titanio tetravalente más pequeño, esto distorsiona la celosía y viola la neutralidad eléctrica. Pero la neutralidad eléctrica tiene que persistir de alguna manera, es una regla fundamental, "explicó Boris Gorshunov, quien dirige el Laboratorio de Espectroscopia de Terahercios en MIPT. "Como resultado, algunos de los átomos de hierro vecinos se vuelven divalentes para compensar la carga de los iones de titanio". Estos cambios estructurales son la razón de las inusuales propiedades ópticas y acústicas del material observadas por el equipo.

"Nuestro estudio es el primero en destacar un nuevo mecanismo que da lugar a una subred de centros Jahn-Teller. En lugar de estar formado por átomos de impurezas, como suele ser el caso, la subred consiste en algunos de los átomos del cristal anfitrión, ", dijo Vladimir Gudkov, profesor de la Universidad Federal de los Urales.

La aparición de la subred de Jahn-Teller en el cristal conduce a propiedades inusuales y potencialmente valiosas. Por ejemplo, los subsistemas magnéticos que surgen en el material se pueden utilizar en la memoria ultrarrápida de la computadora, remagnetizado por radiación de terahercios, también conocidas como ondas T.