Как сделать парамагнетик ферромагнетиком, не охлаждая?

Возможность изменять магнитные свойства материалов за счет приложения внешнего электрического поля выглядит весьма заманчиво. Физики уже научились менять коэрцитивную силу или магнитную анизотропию в металлах наложением внешнего электрического поля.

Еще более интересно менять опять же электрическим полем температуру Кюри материала, причем вблизи комнатной. Тогда станет возможным осуществлять электрически контролируемый переход между ферромагнитным и парамагнитным состоянием при нормальных условиях. Это позволило бы создать включаемые / выключаемые магниты, которые не требуют постоянного подвода энергии на преодоление сопротивления, в отличие от традиционных электромагнитов, и охлаждения, в отличие от сверхпроводящих.

Рис. 1. Схема устройства.

Группа японских ученых создала прототип устройства, в котором пленка кобальта переходит между пара- и ферромагнитным состоянием за счет приложения внешнего перпендикулярного пленке электрического поля (Рис. 1). Для этого была получена слоистая структура из монослоя кобальта и нескольких монослоев платины на поверхности плохо проводящего арсенида галлия. Сверху был нанесен изолирующий слой и слой металла, работающий электродом для создания этого самого внешнего электрического поля. Также подводились контакты для измерения Холловского сопротивления (отношения возникающего перпендикулярного току и магнитной индукции напряжения к току).

Рис. 2. Взаимосвязь между Холловским сопротивлением и магнитным полем при разных температурах для устройств с разной толщиной слоя платины.

Температура Кюри определялась косвенно по довольно сложной методике. Исследовалась зависимость Холловского сопротивления (как характеристики намагниченности) от внешнего магнитного поля для разных температур. Определялась температура, ниже которой, Холловское сопротивление при малых магнитных полях меняет знак (ферромагнитное состояние), а выше – не меняет (парамагнитное состояние) (Рис. 2). Эта температура и считалась температурой Кюри. Эти результаты подтверждались измерениями методом Кюри-Вейса – определением зависимости спонтанной намагниченности, точнее Холловского сопротивления в нулевом магнитном поле, от температуры (Рис. 3). Температура обнуления Холловского сопротивления считалась температурой Кюри.

Рис. 3. Зависимость Холловского сопротивления в нулевом поле от температуры при разном управляющем напряжении для устройств с разной толщиной слоя платины.

Рис. 4. Зависимости температуры Кюри
кобальта при разном управляющем напряжении
для устройств с разной толщиной слоя платины,
измеренные двумя вышеописанными методами.

Все измерения температуры Кюри проводились как без наложения внешнего электрического поля, так и в нем. Они были проведены для двух устройств, отличающихся разной толщиной слоя платины: 1,04 и 1,10 нм (Рис. 4). Никто ее, разумеется, с точностью, превышающей размер монослоя, не получал и не измерял, а эти цифры получены из скорости и времени напыления платины.

Оказалось, что при помощи электрического поля можно менять магнитные свойства материала при температурах, близких к комнатной. Вряд ли из этих монослоев кобальта удастся получить силовой магнит, но элемент электрических схем для компьютеров или измерительных приборов – вполне возможно.

Результаты исследований опубликованы в статье:

D. Chiba, S. Fukami, K. Shimamura, N. Ishiwata, K. Kobayashi & T. Ono Electrical control of the ferromagnetic phase transition in cobalt at room temperature. – Nature Materials. – 2011. – V.10. – P. 853–856; doi:10.1038/nmat3130; Published online 02 October 2011.

Источник(и):

1. nanometer.ru