Приложение электрического поля к твёрдым веществам (не обладающим металлической проводимостью) приводит к их поляризации. При этом наблюдается вытягивание электронного облака, окружающего атомы, по направлению поля так, что центр облака несколько смещается в сторону положительно заряженного ядра, что в свою очередь приводит к радикальным изменениям электрических свойств твёрдого вещества. Материалы, способные сохранять поляризацию и при отсутствии электрического поля, называются сегнетоэлектриками. Именно они могли бы открыть новый путь к чипам с памятью более высокой плотности.

По словам Ясуджиро Тагучи, одного из ведущих сотрудников Института перспективных исследований RIKEN (Вако, Япония), область применения сегнетоэлектриков резко расширяется, если обнаруживается, что этот материал проявляет также и магнитные свойства, и при этом существует жёсткая взаимосвязь между поляризацией и намагниченностью. Г-н Тагучи и его коллеги из RIKEN и ряда других японских НИИ недавно экспериментально показали, что

стронций-бариевые манганиты ((Sr,Ba)MnO₃) как раз обладают такой редкой комбинацией свойств.

Рис. 1. Атом марганца (сиреневый). Спин марганца (чёрная стрелка) делает материал магнитным; смещение атома марганца из центра (сиреневая с.) приводит к сегнетоэлектрическим свойствам. Кислород — красный, стронций и барий — зёленые. (Илл. Yasujiro Taguchi).

Более ранние исследования (Sr,Ba)MnO₃ не выявили в них каких-либо сегнетоэлектрических нюансов, предсказанных теорией. Проблема заключалась не в недостатках теоретического моделирования, а в неорганическом синтезе.

Оказалось, что стандартная методика получения материала не могла обеспечить необходимого соотношения между барием и стронцием; так, максимальное зафиксированное соотношение не превосходило 1:4. Ясуджиро Тагучи разработал с коллегами новую двухступенчатую методику кристаллизации, позволившую поднять содержание бария с 20 до 50%. Сравнив свойства кристаллов с различным содержанием бария, исследователи установили, что порог появления сегнетоэлектрических свойств находится где-то между 40 и 45 процентами.

Стронций-бариевый манганит относится к структурному типу перовскита, который, в свою очередь, характеризуется кубической кристаллической решеткой. Атомы марганца находятся в центре каждой ячейки, а кислород центрирует каждую из шести граней куба. Стронций и барий размещаются в углах куба. Электронный спин ионов марганца делает кристалл магнитным, а ферроэлектрические свойства возникают из-за смещения ионов марганца из центра кубической ячейки. Таким образом,

ионы марганца отвечают за появление обоих важных свойств материала — поляризации и магнетизма; тем самым осуществляется их очевидная жёсткая взаимосвязь.

Материалы, обладающие как сегнетоэлектрическими, так и магнитными свойствами, как вы помните, называются мультиферроиками. Но мультиферроики либо проявляют жёсткую связь между электрическими и магнитными свойствами, но при этом демонстрируют лишь небольшую поляризацию, либо склонны к значительной поляризации, и тогда никакой связи с магнитными свойствами не существует (или она очень-очень слабая). Иначе говоря, группе г-на Тагучи удалось открыть совершенно новый мультиферроический материал, характеризующийся как высокой поляризацией, так и жёсткой связью между поляризацией и намагничиваемостью. Именно такая характеристика совершенно необходима для того, чтобы сделать мультиферроик полезным для прикладных задач. И одним из возможных примеров таких задач является создание чипов памяти с очень низким энергопотреблением.