M. Ghidini, R. Mansell, F. Maccherozzi, X. Moya, L. C. Phillips, W. Yan, D. Pesquera, C. H. W. Barnes, R. P. Cowburn, J.-M. Hu, S. S. Dhesi and N. D. Mathur, Shear-strain mediated magnetoelectric effects revealed by imaging, Nature Materials (2019), DOI: 10.1038/s41563-019-0374-8
La perovskite ceramica PMN-PT è un materiale ferroelettrico rilassore a struttura romboedrica con proprietà elettromeccaniche eccezionali, che da tempo vengono sfruttate per la realizzazione di attuatori piezoelettrici commerciali. In condizioni standard, questi dispositivi, sottoposti ad un campo elettrico opportuno, possono generare deformazioni meccaniche normali o di taglio (shear) a seconda dell’orientazione del cristallo rispetto alla direzione del campo elettrico applicato. Campi elettrici piu’ elevati possono indurre la rotazione dei domini ferroelettrici e generare deformazioni meccaniche discontinue che possono pilotare rotazioni dei domini magnetici di un film sottile cresciuto sulla superficie del PMN-PT. Fino ad oggi tuttavia la comunità scientifica ha sempre ritenuto che queste deformazioni fossero solo di tipo normale, anche se in realtà componenti di taglio possono essere identificate analizzando attentamente i parametri della cella cristallografica unitaria del PMN-PT durante la rotazione della sua polarizzazione ferroelettrica.
Abbiamo usato i domini magnetici di un film dolce e magnetostrittivo di Nickel cresciuto su PMN-PT come una sensibilissima sonda per visualizzare le deformazioni elettromeccaniche locali del cristallo ferroelettrico durante la rotazione dei suoi domini in risposta ad un campo elettrico applicato.Variando questo campo elettrico, abbiamo prima effettuato delle misure magnetiche macroscopiche usando un magnetometro a campione vibrante. In seguito, sempre variando il campo elettrico, abbiamo costruito delle immagini vettoriali dei domini magnetici del film di Ni, usando XMCD-PEEM (PEEM significa microscopia elettronica in fotoemissione, dove il contrasto magnetico che permette la visualizzazione dei domini viene prodotto dal fenomeno dell’assorbimento dicroico dei raggi X con polarizzazione circolare, o x-ray magnetic circular dichroism, XMCD). Superficialmente, ambedue le misure, microscopiche e macroscopiche, davano inizialmente l’impressione che i domini ferroelettrici del PMN-PT ruotassero la magnetizzazione del film di Ni di 90, escludendo di fatto l’esistenza di deformazioni di taglio. Questo accadeva in realtà perchè per simmetria le misure macroscopiche mediano a zero le componenti di taglio, mentre l’ottima risoluzione angolare delle nostre mappe magnetiche non viene sfruttata appieno usando una semplice ruota di colore (in figura). Tuttavia costruendo accurate mappe magnetiche differenziali, abbiamo dimostrato che gli angoli di rotazione della magnetizzazione erano effettivamente ben inferiori a 90, ed in buon accordo con il valore di 62.6, che abbiamo calcolato usando la geometria della cella unitaria per quantificare le componenti di taglio della deformazione. Il modello che abbiamo usato prevede anche l’identificazione dei nuovi assi principali di strain tramite la costruzione geometrica del cerchio di Mohr.
Le rotazioni della magnetizzazione di angoli < 90° che abbiamo osservato permettono di scrivere dati sia magneticamente che elettricamente, arricchendo il panorama di protocolli per la codifica dei dati con memorie a scrittura elettrica (a basso costo energetico perchè non necessitano, per scrivere l’informazione, di correnti elettriche).
Piu’ in generale, questi risultati offrono un nuovo twist inaspettato su un materiale ferroelettrico assai noto, per cui d’ora in avanti sarà normale ...tener conto dello shear.
