مواد فروالکتریک: آنچه هستند

چه چیزی فرارکتریک می‌باشد؟

مواد فرارکتریک موادی هستند که خاصیت فرارکتریک دارند. فرارکتریک بودن توانایی ماده برای قطبش الکتریکی خودبه‌خودی است. این قطبش با اعمال یک میدان الکتریکی در جهت مخالف (شکل ۱ زیر) قابل معکوس شدن است. فرارکتریک بودن (و بنابراین مواد فرارکتریک) در سال ۱۹۲۱ توسط والاسک با استفاده از نمک راچلی کشف شد.

معکوس کردن قطبیت یک ماده فرارکتریک با اعمال یک میدان الکتریکی خارجی به آن "سوئیچینگ" نامیده می‌شود.

مواد فرارکتریک قادر به حفظ قطبش حتی پس از حذف میدان الکتریکی هستند. مواد فرارکتریک شباهت‌هایی با مواد فرومغناطیسی که لحظه مغناطیسی دائمی دارند، دارند. حلقه تاخیر برای هر دو نوع ماده تقریباً مشابه است.

از آنجا که شباهت‌ها وجود دارد، پیشوند برای هر دو نوع ماده یکسان است. اما تمام مواد فرارکتریک نباید حاوی آهن (Ferro) باشند.

تمام مواد فرارکتریک خاصیت پیزوالکتریک را نشان می‌دهند. خصوصیات مخالف این مواد در مواد ضد فرومغناطیسی دیده می‌شود.

نظریه مواد فرارکتریک

انرژی آزاد یک ماده فرارکتریک بر اساس نظریه گینبورگ-لانداو بدون میدان الکتریکی و هرگونه تنش اعمال شده می‌تواند به صورت گسترش تیلور نوشته شود. این گسترش به صورت پارامتر مرتبه (P) نوشته می‌شود.

(اگر گسترش مرتبه ششم استفاده شود)
Px → مؤلفه بردار قطبش، x
Py → مؤلفه بردار قطبش، y
Pz → مؤلفه بردار قطبش، z
αi, αij, αijk → ضرایب باید ثابت باشند با توجه به تقارن بلور.
α0 > 0, α111> 0 → برای تمام مواد فرارکتریک
α11< 0 → مواد فرارکتریک با انتقال مرتبه اول
α0 > 0 → مواد فرارکتریک با انتقال مرتبه دوم

برای بررسی پدیده‌های مختلف و تشکیل دامنه در مواد فرارکتریک، این معادلات در مدل فیزیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

معمولاً با اضافه کردن برخی اصطلاحات مانند اصطلاح الاستیک، اصطلاح گرادیان و اصطلاح الکترواستاتیک به این معادله انرژی آزاد استفاده می‌شود.

با استفاده از روش تفاضل محدود، معادلات با توجه به محدودیت‌های الاستیسیته خطی و قانون گاوس حل می‌شوند.

انتقال فاز از مکعبی به چهار وجهی قطبش خودبه‌خودی یک ماده فرارکتریک می‌تواند از عبارت انرژی آزاد به دست آید.

این عبارت دارای ویژگی پتانسیل دو چاه با دو مینیمم انرژی در P = ± Ps.
Ps → قطبش خودبه‌خودی

با ساده‌سازی، حذف ریشه منفی و جایگزینی α11 = 0 بدست می‌آید،

قطبش و حلقه تاخیر

ابتدا یک ماده دی الکتریک را در نظر می‌گیریم و یک میدان الکتریکی محیطی به آن اعمال می‌کنیم. می‌توانیم ببینیم که قطبش همواره مستقیماً متناسب با میدان اعمال شده خواهد بود، که در شکل ۲ نشان داده شده است.

سپس وقتی یک ماده پارا الکتریک را قطبی می‌کنیم، قطبش غیرخطی به دست می‌آید. اما این یک تابع از میدان است، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است.

سپس یک ماده فرارکتریک را در نظر می‌گیریم و یک میدان الکتریکی به آن اعمال می‌کنیم. قطبش غیرخطی به دست می‌آید.

این ماده بدون میدان محیطی نیز قطبش خودبه‌خودی غیرصفری نشان می‌دهد.

می‌توانیم ببینیم که با معکوس کردن جهت میدان الکتریکی اعمال شده، جهت قطبش نیز می‌تواند معکوس یا تغییر کند.

بنابراین می‌توانیم بگوییم که قطبش به شرایط فعلی و قبلی میدان الکتریکی بستگی دارد. حلقه تاخیر به صورت شکل ۴ به دست می‌