$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Badania nad efektem magnetoelektrycznym (ME), indukcją polaryzacji elektrycznej (magnetyzacji) przez pole magnetyczne (elektryczne), koncentrują się na nowych typach zastosowań, takich jak czujniki i technologie przechowywania. Dzięki niedawnym badaniom nad multiferroikami ME1,2,3,4, systemy docelowe w dziedzinie badań ME są rozszerzane na różne rodzaje materiałów półprzewodnikowych, w tym struktury nieorganiczne, organiczne i metaloorganiczne, poprzez umiejętne wykorzystanie sprzężeń spinowo-sieciowych5,6,7,8,9. Jednak praca w temperaturze pokojowej, która musi być wykonana w celu praktycznego wykorzystania materiałów ME z ich złączami ME, jest nadal trudnym zagadnieniem, a do tej pory bardzo ograniczona liczba materiałów jednofazowych została zgłoszona jako magnetoelektryki w temperaturze pokojowej10.
Ciekłe kryształy, które mają porządek orientacyjny, czasami z częściowym porządkiem pozycyjnym, były również badane pod kątem materiałów ME w ostatnich latach11,12,13,14,15. Jedną z zalet ciekłych kryształów jako materiałów ME jest ich temperatura pracy, ponieważ fazy ciekłokrystaliczne są zwykle stabilizowane wokół temperatury pokojowej. Przykładem dotychczas opisanych ciekłych kryształów ME jest kompozyt pomiędzy magnetycznymi nanopłytkami o prostopadłej anizotropii magnetycznej a ciekłymi kryształami ukazującymi fazę nematyczną, znaną jako najprostsza faza ciekłokrystaliczna posiadająca tylko jednowymiarowy porządek orientacyjny15. Pokazuje odwrotny efekt ME, indukcję namagnesowania przez pole elektryczne, poprzez manipulację polem elektrycznym sprzężonych płytek krwi i orientacji molekularnej.
Niedawno zaproponowano kolejną unikalną strategię tworzenia efektu ME w ciekłych kryształach16. Celem tej strategii jest stworzenie chiralnej fazy smektycznej C (SmC*) z jednowymiarowym porządkiem pozycyjnym, w wyniku czego powstaje rozproszona struktura warstwowa zwana warstwą smektyczną. Jedną z cech charakterystycznych fazy SmC* jest to, że wektor orientacji molekularnej n jest sprzężony z lokalnym elektrycznym momentem dipolowym p. Korelacja ta jest zapewniona przez połączenie nachylonej orientacji cząsteczek składowych przypominających pręciki w stosunku do warstwy smektycznej normalnej n0 i wywołanej chiralnością zwierciadlanej (i inwersyjnej) symetrii łamającej cząsteczki. Z punktu widzenia symetrii, pierwsza z nich zmienia symetrię z D∞h (tzw. faza SmA, Rysunek 1A) na C2h (tzw. faza SmC, Rysunek 1B), a druga łamie symetrię lustrzaną C2h tak, że symetria jest redukowana do C2 (faza SmC*, patrz każda warstwa w Rysunek 1C). W każdej warstwie SmC* dopuszczalna jest obecność skończonej polaryzacji wzdłuż osi C2, która jest normalna zarówno dla n0, jak i n. Silne sprzężenie między n i p jest niezbędne dla ferroelektryczności w ciekłych kryształach. W fazie SmC* n wyrównuje się w sposób helikoidalny przez warstwę po warstwie (Rysunek 1C), a zatem nie ma polaryzacji makroskopowej. Ferroelektryczność w takich ciekłych kryształach osiąga się poprzez zastosowanie silnych efektów powierzchniowych, które stabilizują jednorodnie zorientowany stan n znany jako stabilizowany powierzchniowo ferroelektryczny stan ciekłokrystaliczny (SSFLC) (Rysunek 1D). Należy zauważyć, że odwrócenie polaryzacji ferroelektrycznej zawsze towarzyszy przełączeniu stanów orientacji bistabilnej poprzez sprzężenie między n i p17. Oczekuje się, że jako efekt odwrotny zmiana orientacji molekularnej fazy SmC* spowoduje zmianę polaryzacji elektrycznej. Poprzez anizotropię magnetyczną spowodowaną spinami elementów magnetycznych i/lub pierścieni aromatycznych w cząsteczkach ciekłokrystalicznych oraz elastyczność n w stanie ciekłokrystalicznym spowodowaną słabszymi oddziaływaniami molekularnymi niż w stanie stałym krystalicznym, n jest również przestrajany przez pole magnetyczne. W ten sposób faza SmC* może zostać przekształcona w stan jednorodnie zorientowany indukowany polem magnetycznym, podobny do stanu SSFLC. Dlatego bezpośredni efekt ME, indukcja polaryzacji elektrycznej przez pole magnetyczne, jest osiągany, gdy rozwój makroskopowej polaryzacji elektrycznej jest indukowany przez jednorodne wyrównanie n sprzężonego z p we wszystkich warstwach.
Wprowadzamy procedury przygotowania ogniw ciekłokrystalicznych do badania sprzężeń ME oraz metodologie wykrywania efektu ME. Metoda przygotowania ogniw ciekłokrystalicznych została szczegółowo opisana wcześniej18. Tutaj zmodyfikowaliśmy tę metodę dla pomiarów dielektryków i ME. Za pomocą opisanej tutaj metody wykryliśmy magnetycznie dostrojoną polaryzację elektryczną, czyli bezpośredni efekt ME, w ciekłym krysztale pokazującym fazę SmC* w temperaturze pokojowej.