Multiferroidid

Multiferroidid on defineeritud kui materjalid, millel esinevad samaaegselt ehk samas faasis vähemalt kaks peamist ferromagnetilist korrastusparameetrit.^[1] Definitsiooni võib laiendada, kätkemaks endas ka mitteprimaarseid korrastusparameetreid, näiteks antiferromagnetism või ferrimagnetism (mitte segi ajada ferromagnetismiga).

Neli põhilist ferromagnetilist korrastusparameetrit on järgmised:

• ferromagnetism – põhiline mehhanism, mille kaudu teatud materjalid (näiteks raud) moodustavad püsimagneteid. Mikroskoopilistel magnetmomentidel esineb spontaanne korrastatus ning seeläbi ilmneb makroskoopiline magnetmoment;
• ferroelektrilisus – teatud materjalide omadus omada spontaanset elektrilist polarisatsiooni, mida saab välise elektriväljaga pöörata, näiteks piesoelektrilises kristallis;^[2]
• ferroelastsus – teatud materjalide omadus kristallis spontaanselt mehaanilist pinget tekitada;^[2]
• ferrotoroidsus – teatud materjalide omadus tekitada spontaanselt makroskoopilist toroidaalset momenti. Teisisõnu, mikroskoopilised rõngakujulised magnetvälja jõujooned korrastuvad ühtmoodi spontaanselt üle kogu kristalli.

Paljud multiferroidid on perovskiitse struktuuriga siirdemetallide (üldiselt B-rühmade metallilised elemendid Mendelejevi tabelis) oksiidid. Multiferroidid jaotatakse Khomskii järgi 1. ja 2. tüüpi multiferroidideks ^[3].

1. tüüpi multiferroidid on tuntud juba pikemat aega. Nad on tüüpiliselt head ferroelektrikud ja antiferromagneetikud. Neil on kõrged ferroelektrilised ümberkorrastustemperatuurid ja madalamad magnetilised ümberkorrastustemperatuurid. Näiteks BiFeO₃ (T_c=1100 K, T_n=643 K, vastavalt Curie ja Neeli temperatuurid. Curie punktist kõrgemal temperatuuril kaotab püsimagnet oma magnetilised omadused. Neeli temperatuurist kõrgemal temperatuuril muutub antiferromagneetik paramagnetiliseks) ning YMnO₃ (T_c=914 K, T_n=76 K). Kuna ferroelektrilisus ja ferromagnetism tekivad seda tüüpi multiferroidides teineteisest sõltumatult, on nende omaduste magnetoelektriline paardumine (magnetilise polariseerumise indutseerimine välise elektrivälja poolt või vastupidi) enamasti nõrk. Esimeses lähenduses võib 1. liiki multiferroide seega käsitleda kui ferroelektrikuid, millel on ühtlasi (antiferro)magnetilised omadused. Hiljuti on samas avastatud toatemperatuuri juures suurt magnetoelektrilist paardumist omavaid 1. tüüpi multiferroide, nagu näiteks süsteemis (BiFe_0.9Co_0.1O₃)_0.4(Bi_0.5K_0.5TiO₃)_0.6, tuntud ka lühendiga BFC-BKT.

2. tüüpi multiferroidid sisaldavad tavaliselt haruldasi manganiite, nagu TbMnO₃ ja HoMnO₅. Nendes põhjustavad magnetilised omadused ferroelektrilisust. Seetõttu on nii magnetilised kui ka elektrilised ümberkorrastustemperatuurid harilikult identsed, ehkki küll väga madalad (näiteks 28 K TbMnO₃ puhul). 2. tüüpi ferromagneetikuid iseloomustab madal summaarne magneetumus, tingituna antiferromagnetilistest spinn-spiraalstruktuuridest ning madalast elektrilaengu polariseerumisest (suurusjärgus 0,01 mikrokulonit ruutsentimeetri kohta).

Mitteperovskiitse struktuuriga multiferroidid on oksiididest näiteks LuFe₂O₄ ja LiCu₂O₂ ning mitteoksiididest näiteks BaNiF₄ ja ZnCr₂Se₄. Nende ainete faasidiagrammidel kombineeruvad erinevad ferroidsed korrastused erinevates faasides.^[4]

Multiferroide uuritakse nende potentsiaali pärast aktuaatorites, lülitites, magnetväljasensorites, mäluseadmetes ja muudes tehnilistes rakendustes kasutamiseks.