В Институте Пауля Шеррера (PSI) нашли способ управлять магнетизмом в материалах с помощью электрического поля — быстро, точно и с минимальными затратами энергии. Речь о магнитоэлектриках — особых кристаллах, где электрические и магнитные свойства связаны. Такие материалы могут стать основой для энергоэффективной электроники, новых систем хранения данных и даже медицинских устройств.

Магнитоэлектрики — материалы, в которых электрическое поле влияет на магнитные свойства, и наоборот. Это позволяет управлять магнетизмом без громоздких катушек, просто подавая напряжение.

Результаты исследования опубликованы в издании Nature Communications.

Один из таких материалов — оливково-зеленый кристалл оксиселенида меди (Cu₂OSeO₃). При охлаждении его атомные спины выстраиваются в сложные магнитные структуры, напоминающие спирали и конусы. Эти узоры в тысячи раз больше атомной решетки и не привязаны жестко к ней, а значит, их можно гибко настраивать.

Ученые PSI впервые показали, что электрическое поле может менять ориентацию этих структур. Обычно магнитные текстуры в материалах жестко фиксированы, но здесь их удалось буквально «развернуть» с помощью напряжения. Эффект назвали магнитоэлектрическим отклонением.

Чтобы увидеть, как меняется структура, использовали малоугловое рассеяние нейтронов (SANS) — метод, позволяющий разглядеть наноструктуры внутри материала. На установке SINQ в PSI кристалл поместили в электрическое поле и наблюдали, как под его действием перестраивается магнетизм.

Такая точность — заслуга уникального оборудования, — говорит Джонатан Уайт, сотрудник PSI. — Мы смогли уловить даже слабые изменения, которые раньше не замечали.

Оказалось, реакция материала на поле делится на три режима:

• Слабые поля — магнитные текстуры плавно отклоняются.
• Средние поля — поведение становится сложнее, нелинейным.
• Сильные поля — структуры резко разворачиваются на 90 градусов.

Каждый режим можно использовать по-разному, — объясняет Сэм Муди, ведущий автор исследования. — Например, создавать гибридные устройства, где переключение между режимами управляется внешним магнитным полем.

Главное преимущество — контроль магнетизма без мощных электромагнитов, которые потребляют много энергии. Это открывает путь к более экологичным технологиям.

Этот метод может уменьшить энергопотребление электроники — особенно критично для дата-центров и нейросетей, которые сегодня «съедают» огромные объемы энергии. Если управлять магнетизмом импульсами напряжения, а не тока, КПД возрастет в разы.

Другое применение — сверхплотная память. Магнитные домены можно делать меньше и переключать быстрее, что увеличит емкость накопителей.

В медицине такие материалы помогут в точечной доставке лекарств  (магнитные наночастицы) или создании более чувствительных датчиков для диагностики.

Отметим, что пока метод работает только при низких температурах  (около 60 К), что ограничивает его применение. Для массовых технологий нужно найти материалы с аналогичными свойствами, но стабильные при комнатной температуре.

Ранее ученые описали альтернативный магнетизм.