[論文レビュー] Janus particles with coupled electric and magnetic moments make a disordered magneto-electric medium

Ambarish Ghosh, Nicholas K. Sheridon+1 more|ArXiv.org|Aug 8, 2007

Pickering emulsions and particle stabilization参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、永久的に結合された電気双極子モーメントと磁気双極子モーメントを持つ不規則なジャンス粒子で構成される常温でスイッチ可能な磁気電気効果（ME）媒体を示している。これらの粒子をポリマー行列に分散させることで、外部場によって誘起される粒子の再配列を通じて線形ME応答を示し、χ = 0.4 ps/m の磁気電気係数を達成した。これは単結晶ME材料と同等の値であり、長距離秩序や外部磁場を必要としない。

ABSTRACT

We demonstrate that by combining permanent electric and magnetic moments in particles, it is possible to realize a new type of medium that allows for a cross-correlation between electric and magnetic properties of matter, known as magnetoelectric coupling. Magnetoelectric materials have so far been restricted to systems that exhibit long-range order in their electric and magnetic moments. Here, we show that a room-temperature, switchable magnetoelectric can be realized that is naturally disordered. The building blocks are Tellegen particles that orient in either an electric or a magnetic field.

研究の動機と目的

• 長距離秩序を必要とせず、不規則で等方的な媒体が強力な磁気電気結合を示すことができることを示すこと。
• 電気的および磁気的双極子モーメントが永久的に結合した粒子を、機能的なME媒体の構築要素としてテルゲンの理論的ビジョンを実現すること。
• 外部場による粒子の向きの変化が測定可能なマクロな磁化および分極を誘起する、スイッチ可能で常温でのME材料を構築すること。
• 動的で周波数依存のME応答を特徴付け、線形性と実用的応用の可能性を評価すること。

提案手法

• 蛍光シリカとフェロ磁性材料を共有結合で結合させ、電気的および磁気的双極子モーメントを有するジャンス粒子の作製。
• 凝集を防ぎ、自由回転を可能にするために、これらの磁気電気的粒子をエラストマー行列に分散。
• 外部電場または磁場を印加して粒子を再配列させ、粒子の整列に伴いマクロな磁化または分極を誘起。
• 光学的アノムアトロピーを用いて粒子の向きを光学的にモニタリングし、誘起されたME効果と相関付ける。
• フラックスゲート磁力計を用いて外部電場印加下での誘導磁化を測定し、線形性および周波数依存性を解析。
• 磁気電気応答を線形モデル M ≈ χE および P ≈ χB にフィッティングし、ME係数 χ を抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離秩序を示さない不規則で等方的な媒体が、電気的または磁気的双極子モーメントの長距離秩序がなくても顕著な磁気電気結合を示すことができるか？
• RQ2 外部場によって永久的に結合された電気的および磁気的双極子モーメントを持つ粒子が再配列することで、測定可能なマクロな磁気電気効果が生じるか？
• RQ3 このような不規則系における磁気電気係数の大きさと周波数依存性は何か？
• RQ4 外部場を用いてME応答を調整または安定化できるか？また、有用な範囲で線形性を示すか？
• RQ5 光学的アノムアトロピーは、系内での個々の粒子の向きおよびME応答を信頼できるプローブとして使用できるか？

主な発見

• 不規則な磁気電気効果媒体は、χ = 0.4 ps/m の測定可能な磁気電気係数を示し、クロム酸化物などの単結晶材料と同等の値を達成した。
• 電場の印加により、粒子の電気的および磁気的双極子モーメントの相対的向き（平行対比反平行）に応じて、材料内の磁化の符号が変化した。
• ME応答は強く周波数依存であり、回転抵抗のため高周波数では粒子再配列が不完全となり、磁化が低下した。
• 低周波数では、粒子とキャビティ壁面との接着時間の増加により磁化がわずかに減少し、表面相互作用の影響が示された。
• システムは動的ヒステリシスを示し、ME応答が場の周波数の関数として変化しており、非理想な緩和ダイナミクスを示した。
• 粒子の光学的アノムアトロピーにより、粒子の向きをリアルタイムで非破壊的にモニタリング可能であり、コロイドおよびナノスケール系におけるME挙動の光学的特徴付けが可能になった。