[论文解读] 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 7

一句话总结

本文展示了一种室温下可开关的磁电（ME）介质，由具有永久耦合电偶极矩和磁偶极矩的无序Janus粒子组成。通过将这些粒子分散在聚合物基质中，材料通过场致粒子重取向实现线性磁电响应，磁电系数达到χ = 0.4 ps/m，与单晶磁电材料相当，且无需长程有序或外部磁场即可工作。

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.

研究动机与目标

• 证明无序、各向同性的介质可在无长程有序的情况下表现出强磁电耦合。
• 实现Tellegen关于具有永久耦合电偶极矩和磁偶极矩的粒子作为功能磁电介质构建单元的理论构想。
• 利用在外场作用下可改变取向的粒子，构建一种可开关、室温下工作的磁电材料，其取向变化可诱导可测量的宏观磁化强度和极化强度。
• 表征动态、频率相关的磁电响应，评估其线性度及在实际应用中的潜力。

提出的方法

• 利用荧光二氧化硅和铁磁材料共价键合制备具有偶极矩耦合的Janus粒子。
• 将这些磁电粒子分散在弹性体基质中，以防止团聚并实现自由旋转。
• 施加外部电场或磁场以重取向粒子，通过粒子对齐诱导宏观磁化或极化。
• 利用光学各向异性光学监测粒子取向，并将其与诱导的磁电效应相关联。
• 使用磁通门磁力计测量外加电场下诱导的磁化强度，数据分析包括线性度和频率依赖性。
• 将磁电响应拟合至线性模型M ≈ χE和P ≈ χB，以提取磁电系数χ。

实验结果

研究问题

• RQ1 无序、各向同性的介质是否可在无电偶极矩或磁偶极矩长程有序的情况下表现出显著的磁电耦合？
• RQ2 在外场作用下，具有永久耦合电偶极矩和磁偶极矩的粒子重取向是否会产生可测量的宏观磁电效应？
• RQ3 此类无序系统中磁电系数的大小及其频率依赖性如何？
• RQ4 能否通过外场调节或稳定磁电响应，且其在线性范围内是否具有实用性？
• RQ5 光学各向异性能否作为无序介质中单个粒子取向及磁电响应的可靠探测手段？

主要发现

• 该无序磁电介质表现出可测量的磁电系数χ = 0.4 ps/m，与铬氧化物等单晶材料的数值相当。
• 施加电场可诱导材料中产生磁化强度，其符号取决于粒子电偶极矩与磁偶极矩的相对取向（平行或反平行）。
• 磁电响应具有显著的频率依赖性，高频下磁化强度降低，原因在于旋转阻力导致粒子重取向不完全。
• 在低频下，磁化强度略有下降，归因于粒子与腔壁之间作用时间增加，表明存在表面相互作用效应。
• 该系统表现出动力学磁滞特性，磁电响应随场频变化而变化，表明其弛豫动力学并非理想。
• 粒子的光学各向异性可实现对其取向的实时、非侵入式监测，从而实现对胶体及纳米尺度系统中磁电行为的光学表征。