Warszawa, 28 października 2016

Zjawisko piezo-elektromagnetyczne w (Ga,Mn)N

Zjawisko magnetoelektryczne umożliwia zmianę polaryzacji elektrycznej polem magnetycznym lub polaryzacji magnetycznej polem elektrycznym, co może stanowić nową metodę zapisu informacji w pamięciach magnetycznych bez użycia ruchomej głowicy. Efekt ten był obserwowany między innymi w multiferroikach, czyli materiałach wykazujących równocześnie dwie lub więcej właściwości ferroicznych (ferromagnetyzm, ferroelektryczność, ferrosprężystości) [1], a także w strukturach hybrydowych składających się z ferromagnetyka mechanicznie połączonego z piezoelektrykiem, który odkształca się pod wpływem pola elektrycznego [2].

Pracownicy Instytutu Fizyki PAN pod kierunkiem prof. Tomasza Dietla wykazali, że zjawisko piezo-elektromagnetyczne może istnieć nie tylko w strukturach hybrydowych, ale także w układach jednorodnych. W pierwszej kolejności wykazano, że azotek galu zawierający Mn, tj. Ga_1-xMn_xN (x ≈ 2.5%) posiada silne własności izolacyjne, zachowując wysokooporową charakterystykę przy polach elektrycznych dochodzących do 5 MV/cm. Umożliwia to wykorzystanie piezoelektrycznych właściwości tego materiału i kontrolę jednojonowej anizotropii magnetycznej jonu Mn³⁺ w GaN za pomocą pola elektrycznego. Efekt ten jest całkowicie powtarzalny oraz odwracalny. Pole elektryczne zmienia rozmiary komórki elementarnej wzdłuż osi c kryształu wurcytu (odwrotne zjawisko piezoelektryczne), modyfikując nieznacznie otoczenie krystaliczne jonów Mn, co jednakże w wyraźny sposób wpływa na anizotropię magnetyczną, a zatem na namagnesowanie całego materiału w temperaturach poniżej 15 K. Autorzy opracowali też model teoretyczny wykorzystujący teorię grup dla jonu Mn³⁺ w GaN, który odtwarza wyniki doświadczalne.

Ze względu na cienką warstwę Ga_1-xMn_xN (30 nm) i małą zawartość Mn, sygnał magnetyczny był bardzo słaby. W celu wykrycia jego zależności od pola elektrycznego zmodyfikowano magnetometr tak, że stało się możliwe zastosowanie metody detekcji fazoczułej, tj. poszukiwanie zmian namagnesowania zachodzących w takt przykładanego pola elektrycznego.

Wyniki badań zostały opublikowane w Nature Communications [3].

PRACE NAUKOWE:

[1] "Electric-field-induced generation and reversal of ferromagnetic moment in ferrites”,
      Y. Tokunaga et al.,
      Nature Physics 8, 838 (2012).

[2] "Stress dependence of ferromagnetic resonance and magnetic anisotropy in a thin NiMnSb film on InP(001)”,
      B. Botters et al.,
      Appl. Phys. Lett. 89, 242505 (2006).

[3] "Stretching magnetism with an electric field in a nitride semiconductor”,
      D. Sztenkiel, M. Foltyn, G. P. Mazur, R. Adhikari, K. Kosiel, K. Gas, M. Zgirski, R. Kruszka, R. Jakiela, Tian Li, A. Piotrowska, A. Bonanni, M. Sawicki and T. Dietl,
      Nat. Commun. 7, 13232 (2016), doi: 10.1038/ncomms13232.

KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

       prof. dr hab. Tomasz Dietl

       Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk

       tel. tel. +48 22 843 53 24

       email: dietl@ifpan.edu.pl

MATERIAŁY GRAFICZNE:

IFPAN161028_fot01.jpg