Жесткое рентгеновское излучение помогло рассмотреть внутреннюю структуру кристаллов

Ученые разработали новый метод визуализации структуры кристалла и рассмотрели в ней элемент в несколько сотен микрон, который раньше никто не видел. Это позволит исследователям разобраться в мангитоэлектрических свойствах кристаллов, улучшить качество материалов и в будущем создать новые энергосберегающие устройства для электроники. Результаты исследования представлены в журнале Crystals.

Всего несколько запросов в Google по количеству затрачиваемой энергии способны вскипятить литр воды. Это пример показывает очевидность растущей потребности в поиске методов уменьшении энергопотребления компьютеров. Одним из решений могут стать нецентросимметричные кристаллические структуры, обладающие магнитоэлектрическими свойствами. За счет этих свойств они способны управлять электрическими либо магнитными характеристиками вещества под действием магнитного поля. Прежде чем проектировать такие устройства будущего, нужно выяснить, как связаны магнитоэлектрические эффекты и организация кристаллов.

Ученые из Красноярского научного центра СО РАН совместно с коллегами из Москвы, Франции и Израиля разработали новый метод для визуализации структурных характеристик в нецентросимметричных материалах. С его помощью ученым удалось рассмотреть домены – структурные элементы кристаллов размером в несколько сотен микрон, которые раньше никому не удавалось увидеть.

Домен – небольшая часть кристалла, которая формирует его структуру и отвечает за ориентацию. Известно, что домены тесно связаны с магнитоэлектрическим эффектом, однако об их существовании мало известно, потому что наблюдать их крайне трудно. Новая методика позволяет визуализировать домены и исследовать принципы и особенности их образования.

В своем подходе ученые объединили два известных метода: микро-фокусирующую рентгеновскую оптику и поляризованное рентгеновские излучение. Исследователи выбирали излучение на определенной длине волны и фокусировали его при помощи линзы на конкретной точке в кристалле. Сосредотачиваясь в одной точке образца, луч может «поймать» домен и передать о нем данные через спектральное отражение. На выходе ученые получают данные о спектрах и могут судить по ним, например, о размерах доменов и других их свойствах.

Ученые установили, что типичный размер доменов составляет несколько сотен микрон. Они опробовали свой метод на кристаллах ферробората саммария, которые известны своим большим магнитоэлектрическим эффектом и могут предположительно могут эффективно применяться в запоминающих устройствах. Просветив кристалл новым методом, ученые обнаружили, что он является двойниковым – то есть, представляет два кристалла, соединенных в один. При этом домены этих кристаллов были ориентированы по-разному и являлись зеркальными отражениями друг друга. В соответствии с положением доменов, строение кристаллов, сформированных по спирали, направлено для первого в правую сторону, а для второго – в левую. Как показали ученые, двойниковость кристалла занижала значение его магнитоэлектрического эффекта.

«Разработанный метод перспективен для определения размера и пространственного распределения доменов в кристаллах. Наш подход показывает хорошие результаты и для многократно двойниковых кристаллов или других материалов со сложной доменной структурой, изучить которые иными методами невозможно. Важным преимуществом жесткого рентгеновского излучения является его высокая проникающая способность, что позволяет проводить измерения реальных объемов образцов и исследовать специфические свойства объекта. Это особенно многообещающе для образцов с множеством двойниковых доменов. Разработанный нами метод может быть мощным инструментом для улучшения качества материалов с нецентросимметричными структурами. Кроме того, он поможет понять механизм магнитоэлектрической связи в различных ферромагнитных кристаллах. Если понять расположение доменов и потом, соответственно, научиться управлять их ростом, то можно будет не просто прогнозировать, а увеличивать и усиливать свойства материала, добиваться новых эффектов, которые потом будут применяться в электронике. Более того, развитие подобных методов в настоящее время является крайне актуальной задачей, поскольку они будут применяться на установках класса «megascience», разрабатываемых в России. Например, синхротрон СКИФ в Новосибирске, в создании которого участвуют и исследователи из нашего центра, РИФ на острове Русский и СИЛА в Московской области», – рассказал Михаил Платунов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского КНЦ СО РАН.

Ученый также отметил, что, понимая законы, по которым формируются домены, можно научиться не только растить кристаллы, но и разделять двойниковые образцы, создавая из них два отдельных кристалла с ненарушенными свойствами.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (19-72-00002; 16-12-1053), Российского фонда фундаментальных исследований (№ 19-52-12029;№ 19-02-00483), а также частичной поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.