Электричество и магнетизм тесно связаны друг с другом: линии электропередач создают магнитное поле, вращающиеся магниты в генераторе генерируют электричество. У некоторых материалов также наблюдается подобная взаимосвязь: на электрические свойства некоторых кристаллов могут влиять магнитные поля — и наоборот. Такие явления называют магнитоэлектрическими эффектами.

Ученые из Венского технологического университета обнаружили магнитоэлектрический эффект в неожиданном материале, у которого наличия подобных свойств даже не предполагали, — кварц-подобном кристалле гольмий-легированного лангазита с формулой Ho_xLa_3−xGa₅SiO₁₄. Статья об открытии опубликована в издании Npj Quantum Materials. Эксперименты показали, что этот эффект в лангазите очень чувствителен: им можно управлять с помощью совершенно незначительных изменений направленности магнитного поля.

«Связаны ли электрические и магнитные свойства кристалла — зависит от внутренней симметрии кристалла, — говорит Андрей Пименов, специалист по физике твердого тела и один из авторов работы. — Если кристалл обладает высокой степенью симметрии — например, если одна сторона кристалла является точным зеркальным отображением другой стороны, — то, исходя из теоретических выкладок, магнитоэлектрический эффект возникнуть не может».

Теоретические и экспериментальные кривые намагничивания лангазита под влиянием внешнего магнитного поля и при температуре 5 К. Символы — экспериментальные данные, сплошная линия — теоретическая кривая / Pimenov, Mukhin, Mostovoy, npj Quantum Materials, 2020.

Сказанное Пименовым верно и для лангазита. Его кристаллическая структура теоретически не допускает возникновения подобных эффектов.

«Но если мы увеличим силу магнитного поля, произойдет нечто замечательное, — добавляет Пименов. — Атомы гольмия изменят свое квантовое состояние и приобретут магнитный момент. Это нарушит внутреннюю симметрию кристалла».

С чисто геометрической точки зрения кристалл по-прежнему остается симметричным, но магнитный момент эту симметрию нарушает. Следовательно, электрическая поляризация кристалла может быть изменена с помощью магнитного поля.

Чем сильнее магнитное поле, тем значительнее его влияние на электрическую поляризацию; при этом взаимная зависимость поляризации и напряженности магнитного поля примерно линейна. Однако направленность магнитного поля связана с поляризацией нелинейно, и даже небольшое изменение этой направленности может кардинально поменять поляризацию.

«Это новая форма магнитоэлектрического эффекта, которая ранее не была известна», — подытоживает Пименов.

На следующем этапе исследования свойств гольмий-легированного лангазита ученые попробуют изменить магнитные свойства с помощью электрического поля. Если это удастся, то такая техника может стать основой для нового перспективного способа хранения данных.

«В магнитных запоминающих устройствах, таких как компьютерные жесткие диски, работают магнитные поля, — объясняет Пименов. — Они генерируются с помощью магнитных катушек, что требует относительно большого количества энергии и времени. Если бы существовал прямой способ переключения магнитных свойств запоминающего устройства с помощью электрического поля, это стало бы прорывом».