التأثير المغناطيسي الكهربائي

في شكله الأكثر عمومية، يشير التأثير المغناطيسي الكهربائي (ME) إلى أي اقتران بين الخصائص المغناطيسية والكهربائية لمادة ما. ^{[1] [2] وقد وصف} فيلهلم رونتجن أول مثال على مثل هذا التأثير في عام 1888، حيث وجد أن المادة العازلة التي تتحرك عبر مجال كهربائي ستصبح ممغنطة. ^[3] تسمى المادة التي يكون فيها مثل هذا الاقتران موجودًا جوهريًا بالمغناطيسية الكهربائية .

بعض التطبيقات الواعدة لتأثير ME هي الكشف الحساس عن المجالات المغناطيسية، وأجهزة المنطق المتقدمة ومرشحات الميكروويف القابلة للضبط. ^[4]

تمت مناقشة أول مثال للتأثير المغناطيسي الكهربائي في عام 1888 بواسطة فيلهلم رونتجن ، الذي أظهر أن المادة العازلة التي تتحرك عبر مجال كهربائي ستصبح ممغنطة. ^[3] تم تخمين إمكانية وجود تأثير مغناطيسي كهربائي جوهري في مادة (غير متحركة) بواسطة بيير كوري ^[5] في عام 1894، بينما صاغ بيتر ديباي ^[6] مصطلح "المغناطيسية الكهربائية" في عام 1926. تم تضمين صياغة رياضية للتأثير المغناطيسي الكهربائي الخطي في دورة الفيزياء النظرية التي كتبها ليف لانداو وإيفجيني ليفشيتز . ^[7] فقط في عام 1959، استنتج إيغور دزيالوشينسكي ، ^[8] باستخدام حجة تماثل أنيقة، شكل اقتران مغناطيسي كهربائي خطي في أكسيد الكروم (III) (Cr ₂ O ₃ ). جاء التأكيد التجريبي بعد بضعة أشهر فقط عندما لاحظ د. أستروف التأثير لأول مرة. ^[9] أدى الإثارة العامة التي أعقبت قياس التأثير المغناطيسي الكهربائي الخطي إلى تنظيم سلسلة مؤتمرات ظاهرة التفاعل المغناطيسي الكهربائي في البلورات (MEIPIC). بين تنبؤ Dzyaloshinskii والطبعة الأولى من MEIPIC (1973)، تم العثور على أكثر من 80 مركبًا مغناطيسيًا كهربائيًا خطيًا. في الآونة الأخيرة، أدى التقدم التكنولوجي والنظري، مدفوعًا إلى حد كبير بظهور المواد المتعددة الحديد، ^[10] إلى نهضة هذه الدراسات ^[11] ولا يزال التأثير المغناطيسي الكهربائي قيد التحقيق بشكل مكثف. ^[1]

تاريخيًا، كان أول وأكثر الأمثلة دراسة لهذا التأثير هو التأثير المغناطيسي الكهربائي الخطي . رياضيًا، بينما تصف القابلية الكهربائية والقابلية المغناطيسية استجابات الاستقطاب الكهربائي والمغناطيسي لحقل كهربائي أو مغناطيسي، فهناك أيضًا إمكانية وجود قابلية مغناطيسية كهربائية تصف استجابة خطية للاستقطاب الكهربائي لحقل مغناطيسي، والعكس صحيح: ^[7]${\displaystyle \chi ^{e}}$ ${\displaystyle \chi ^{v}}$${\displaystyle \alpha _{ij}}$

${\displaystyle P_{i}=\sum _{j}\epsilon _{0}\chi _{ij}^{e}E_{j}+\sum _{j}\alpha _{ij}H_{j }}$

${\displaystyle \mu _{0}M_{i}=\sum _{j}\mu _{0}\chi _{ij}^{v}H_{j}+\sum _{j}\alpha _ {ي}E_{ي}،}$

يجب أن يكون الموتر هو نفسه في المعادلتين. هنا، P هو الاستقطاب الكهربائي ، M هو المغناطيسية ، E و H هما المجالان الكهربائي والمغناطيسي . في وحدات النظام الدولي للوحدات ، تكون وحداته ثانية لكل متر. ${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \alpha }$

كانت المادة الأولى التي تم التنبؤ فيها بتأثير مغناطيسي كهربائي خطي جوهري نظريًا وتأكيدها تجريبيًا هي Cr ₂ O _3. ^{[8] [9]} هذه مادة أحادية الطور. تعد المواد المتعددة الحديد مثالًا آخر للمواد أحادية الطور التي يمكن أن تُظهر تأثيرًا مغناطيسيًا كهربائيًا عامًا ^[11] إذا اقترنت أوامرها المغناطيسية والكهربائية. المواد المركبة هي طريقة أخرى لتحقيق المغناطيسية الكهربائية. هناك، تكمن الفكرة في الجمع بين مادة مغناطيسية انقباضية ومادة كهرضغطية . تتفاعل هاتان المادتان عن طريق الانفعال، مما يؤدي إلى اقتران بين الخصائص المغناطيسية والكهربائية للمادة المركبة.

إذا كان الاقتران بين الخصائص المغناطيسية والكهربائية تحليليًا، فيمكن وصف التأثير المغناطيسي الكهربائي بتوسيع الطاقة الحرة كسلسلة قوى في المجالات الكهربائية والمغناطيسية و : ^[1]${\displaystyle E}$${\displaystyle H}$

${\displaystyle {\begin{aligned}F(E,H)&=F_{0}-P_{i}^{s}E_{i}-\mu _{0}M_{i}^{s}H_{i}-{\frac {1}{2}}\epsilon _{0}\chi _{ij}^{e}E_{i}E_{j}-{\frac {1}{2}}\mu _{0}\chi _{ij}^{v}H_{i}H_{j}\\&\qquad -\alpha _{ij}E_{i}H_{j}-{\frac {1}{2}}\beta _{ijk}E_{i}H_{j}H_{k}-{\frac {1}{2}}\gamma _{ijk}H_{i}E_{j}E_{k}+\ldots \end{aligned}}}$

إن التمييز بين الطاقة الحرة سيعطينا الاستقطاب الكهربائي والمغناطيسية . هنا، و هما الاستقطاب الساكن، أو مغناطيسية المادة، بينما و هما القابلية الكهربائية، أو المغناطيسية. يصف الموتر التأثير المغناطيسي الكهربائي الخطي، والذي يتوافق مع الاستقطاب الكهربائي المستحث خطيًا بواسطة مجال مغناطيسي، والعكس صحيح. تصف المصطلحات الأعلى مع المعاملات و التأثيرات التربيعية. على سبيل المثال، يصف الموتر التأثير المغناطيسي الكهربائي الخطي، والذي بدوره، مستحث بواسطة مجال كهربائي. ^[12]${\displaystyle P_{i}=-{\frac {\partial F}{\partial E_{i}}}}$ ${\displaystyle M_{i}=-{\frac {1}{\mu _{0}}}{\frac {\partial F}{\partial H_{i}}}}$${\displaystyle P^{s}}$${\displaystyle M^{s}}$${\displaystyle \chi ^{e}}$${\displaystyle \chi ^{v}}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle \gamma }$

إن المصطلحات المحتملة التي تظهر في التوسع أعلاه مقيدة بتناظرات المادة. والأمر الأكثر أهمية هو أن الموتر يجب أن يكون مضادًا للتناظر في ظل تناظر عكس الزمن . ^[7] لذلك، قد يحدث التأثير المغناطيسي الكهربائي الخطي فقط إذا تم كسر تناظر عكس الزمن صراحةً، على سبيل المثال من خلال الحركة الصريحة في مثال رونتجنز، أو من خلال الترتيب المغناطيسي الجوهري في المادة. وعلى النقيض من ذلك، قد يكون الموتر غير متلاشي في المواد المتماثلة عكس الزمن. ${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$

هناك عدة طرق يمكن أن ينشأ بها التأثير المغناطيسي الكهربائي على المستوى المجهري في مادة ما.

في البلورات، يكون اقتران الدوران-المدار مسؤولاً عن التباين المغناطيسي البلوري للأيون المفرد والذي يحدد المحاور التفضيلية لاتجاه الدورات (مثل المحاور السهلة). قد يغير المجال الكهربائي الخارجي التناظر المحلي الذي تراه الأيونات المغناطيسية ويؤثر على كل من قوة التباين واتجاه المحاور السهلة. وبالتالي، يمكن لتباين الأيون المفرد أن يربط مجالًا كهربائيًا خارجيًا بدوران المركبات المرتبة مغناطيسيًا.

عادة ما يتم توفير التفاعل الرئيسي بين دورات أيونات المعادن الانتقالية في المواد الصلبة عن طريق التبادل الفائق ، والذي يُسمى أيضًا التبادل المتماثل . يعتمد هذا التفاعل على تفاصيل البنية البلورية مثل طول الرابطة بين الأيونات المغناطيسية والزاوية التي تشكلها الروابط بين الأيونات المغناطيسية والأيونات المرتبطة. في العوازل المغناطيسية، عادةً ما يكون هذا هو الآلية الرئيسية للترتيب المغناطيسي، واعتمادًا على الإشغالات المدارية وزوايا الرابطة، يمكن أن يؤدي إلى تفاعلات حديدية أو مضادة للحديد. نظرًا لأن قوة التبادل المتماثل تعتمد على الموضع النسبي للأيونات، فإنه يربط اتجاهات الدوران ببنية الشبكة. يمكن أن يحدث اقتران الدورات بتشوه جماعي مع ثنائي القطب الكهربائي الصافي إذا كسر الترتيب المغناطيسي تماثل الانعكاس. وبالتالي، يمكن أن يوفر التبادل المتماثل مقبضًا للتحكم في الخصائص المغناطيسية من خلال مجال كهربائي خارجي. ^[13]

نظرًا لوجود مواد تربط الانفعال بالاستقطاب الكهربائي (المواد الكهرضغطية والمواد الكهرضغطية والمواد الكهروضوئية) وربط الانفعال بالمغناطيسية (المواد المغناطيسية الانقباضية/ المواد المغناطيسية المرنة / المواد المغناطيسية الحديدية)، فمن الممكن ربط الخصائص المغناطيسية والكهربائية بشكل غير مباشر عن طريق إنشاء مركبات من هذه المواد التي ترتبط بإحكام بحيث تنتقل الانفعالات من واحدة إلى أخرى. ^[14]

تمكن استراتيجية الغشاء الرقيق من تحقيق اقتران متعدد الحديد بين السطوح من خلال قناة ميكانيكية في هياكل غير متجانسة تتكون من مكون مغناطيسي مرن ومكون كهربائي ضغطي. ^[15] يتكون هذا النوع من الهياكل غير المتجانسة من غشاء رقيق مغناطيسي مرن متراكب ينمو على ركيزة كهربائية ضغطية. بالنسبة لهذا النظام، سيؤدي تطبيق المجال المغناطيسي إلى إحداث تغيير في أبعاد الغشاء المغناطيسي المرن . ستؤدي هذه العملية، التي تسمى التضيق المغناطيسي، إلى تغيير ظروف الانفعال المتبقية في الغشاء المغناطيسي المرن، والتي يمكن نقلها من خلال الواجهة إلى الركيزة الكهربائية الضغطية. وبالتالي، يتم إدخال الاستقطاب في الركيزة من خلال العملية الكهربائية الضغطية.

التأثير الكلي هو أن استقطاب الركيزة الكهروضوئية يتم التلاعب به من خلال تطبيق مجال مغناطيسي، وهو التأثير المغناطيسي الكهربائي المطلوب (العكس ممكن أيضًا). في هذه الحالة، تلعب الواجهة دورًا مهمًا في التوسط في الاستجابات من مكون إلى آخر، وتحقيق الاقتران المغناطيسي الكهربائي. ^[16] للحصول على اقتران فعال، تكون الواجهة عالية الجودة مع حالة إجهاد مثالية مطلوبة. في ضوء هذا الاهتمام، تم تطبيق تقنيات الترسيب المتقدمة لتوليف هذه الأنواع من الهياكل غير المتجانسة للأغشية الرقيقة. وقد ثبت أن التكاثر الشعاعي الجزيئي قادر على ترسيب الهياكل المكونة من مكونات كهرضغطية ومغناطيسية. تضمنت أنظمة المواد المدروسة فيريت الكوبالت والمغنتيت وSrTiO3 وBaTiO3 وPMNT. ^{[17] [18] [19]}

تنتج الفيروكهربائية المدفوعة مغناطيسيًا أيضًا عن تفاعل مغناطيسي كهربائي غير متجانس ^[20] . يظهر هذا التأثير بسبب الاقتران بين معلمات الترتيب غير المتجانسة. كما يُطلق عليه أيضًا تأثير الفليكسومغناطيسية الكهربائية. ^[21] وعادةً ما يتم وصفه باستخدام ثابت ليفشيتز (أي مصطلح اقتران ثابت واحد). ^[22] وقد تبين أنه في الحالة العامة للبلورة السداسية السطوح المكعبة فإن نهج الثوابت الظاهراتية الأربعة صحيح. ^[23] يظهر التأثير الفليكسومغناطيسية الكهربائية في متعددات الفيرويك الحلزونية ^[24] أو الهياكل الدقيقة المغناطيسية مثل جدران المجال ^[25] والدوامات المغناطيسية. ^{[26] [27]}

يمكن أن تظهر الكهرباء الحديدية الناتجة عن البنية الميكرومغناطيسية في أي مادة مغناطيسية حتى في المادة المتماثلة مركزيًا. ^[28] يؤدي بناء تصنيف التناظر لجدران المجال إلى تحديد نوع دوران الاستقطاب الكهربائي في حجم أي جدار مجال مغناطيسي. تم تطبيق تصنيف التناظر الحالي ^[29] لجدران المجال المغناطيسي للتنبؤات بالتوزيع المكاني للاستقطاب الكهربائي في أحجامها. ^{[30] [31]} تتوافق التنبؤات لجميع مجموعات التناظر تقريبًا مع الظواهر التي يقترن فيها المغناطيسية غير المتجانسة بالاستقطاب المتجانس . يظهر التآزر الكلي بين نظرية التناظر والظواهر إذا تم أخذ مصطلحات الطاقة مع مشتقات الاستقطاب الكهربائي المكانية في الاعتبار. ^[32]

• الكهربائية الضغطية
• متعدد الحديد
• التفاعل المتبادل