Поворот двух металлических мембран создал электрические вихри

Если наложить друг на друга две кристаллические мембраны с небольшим взаимным поворотом, атомы будут совпадать по-разному в разных местах. Yingzhuo Lun, Xinxin Hu, Qi Ren и коллеги использовали эту геометрию, чтобы получить и наблюдать вихри поляризации в металлических мембранах рутената стронция с химической формулой SrRuO₃. Поляризация здесь означает относительное смещение электрических зарядов в структуре; вихрь — пространственный узор, в котором направления этих локальных смещений закручиваются. Результат опубликован в Nature Materials.

Исследователи сложили две тонкие мембраны металла под разными углами поворота. Наложение двух слегка развёрнутых периодических атомных решёток создаёт более крупный муаровый узор. С помощью электронной микроскопии группа восстановила смещения атомов и построила карту деформаций. Она также измерила магнитные свойства и прохождение электрического тока. Расчёты в рамках теории функционала плотности — вычислительного метода оценки поведения электронов в веществе — помогли интерпретировать измерения.

Карты показали дипольные вихри: локальные направления разделения зарядов складывались в закрученные узоры. Они были связаны с повторяющимися в муаровом рисунке градиентами сдвиговой деформации. Сдвиг означает относительное перемещение соседних участков, а градиент — изменение деформации от места к месту. Возникновение поляризации из-за такого изменения называется флексоэлектричеством. Сила узора зависела от угла поворота и расстояния до границы мембран. Ниже температуры, при которой возникает устойчивый магнитный порядок, ферромагнетизм сосуществовал с дипольным порядком; их величины менялись в противоположных направлениях при изменении угла. Авторы предположили конкуренцию между ними.

Подвижные заряды металла обычно затрудняют существование организованных электрических узоров, поэтому наблюдение необычно. Участвовавший в работе Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology рассказал о результате в материале за подписью Chema Arcos. И институциональный материал, и научная статья описывают наблюдения и измерения в лабораторных мембранах; работающую электронную память или обратимое управление эффектом в устройстве они не демонстрируют.

Данные подтверждают, что поворот способен упорядочить вихри поляризации в металле, который также является ферромагнитным. Они пока не устанавливают единственную микроскопическую причину и не показывают технологического применения. Раздельное управление углом и деформацией, а затем проверка устойчивости и обратимости узоров позволят оценить функциональное использование.