Stora upptäckter görs ibland utan att någon inser riktigt hur viktiga de kommer att bli. C V Raman, till exempel, fick Nobelpriset i fysik 1930 för att han upptäckte att ljus kan ändra energi när det sprids, men Ramanspektroskopi blev inte ett värdefullt forskningsverktyg förrän långt efter att lasern uppfanns 1960. På samma sätt hade få kunnat föreställa sig att Paul Diracs långsökta men djärva förslag om antipartiklar – för vilket han fick Nobelpriset 1933 – skulle leda till positronemissionstomografi ett halvt sekel senare.

Men det finns en mindre känd – men ändå viktig – upptäckt som också var i stort sett okänd på den tiden. Den gjordes för 100 år sedan 1920 av Joseph Valasek (1897-1993), som då var doktorand och arbetade under ledning av William Swann vid University of Minnesota, Minneapolis, USA. Valasek försökte utveckla en seismograf för att mäta vibrationer från jordbävningar och undrade om detta kunde göras med piezoelektriska kristaller, som skapar en elektrisk signal när de trycks ihop.

Den mest lättillgängliga piezoelektricitet som han hade till hands var en enkristallin substans som syntetiserades för första gången på 1600-talet av Pierre Seignette, en apotekare från den franska kusthamnen La Rochelle. Det utvinns ur vin och blev känt som Rochelle-salt eller Seignette-salt och har den kemiska formeln kaliumnatriumtartrat tetrahydrat (KNaC4H4O6-4H2O). När Valasek placerade ett prov av detta material i ett elektriskt fält, E, märkte han att dess resulterande elektriska polarisering, P, gjorde något ovanligt.

När han vände upp fältet ökade polariseringen, och grafen för P mot E följde en S-formad kurva. Men när fältet sänktes igen var polariseringen alltid högre än tidigare även om den följde samma typ av kurva. Med andra ord berodde polarisationens exakta värde på om fältet steg eller sjönk: den uppvisade hysteres (figur 1). Observationen var så ovanlig att Swann presenterade den vid American Physical Societys möte i april 1920 i Gaithersburg, Maryland, i en artikel med titeln ”Piezoelectric and allied phenomena in Rochelle salt”. (Som en lågmäld doktorand deltog Valasek inte ens i mötet.)

Swann och Valasek visste inte vad som orsakade hysteresen, men det fanns paralleller med en upptäckt som hade gjorts tre decennier tidigare av den skotske fysikern James Alfred Ewing. Han hade sett ett liknande beteende i vissa ferromagneter och noterat att det magnetiska momentet beror på hur magnetfältet har förändrats. Valaseks upptäckt pekade därför på en helt ny klass av material, där det elektriska dipolmomentet – och därmed polariseringen – beror på hur det elektriska fältet har förändrats.

Stabil framgång

Nu kallas dessa material för ”ferroelektriker”, och de har några fantastiska tillämpningar i det moderna livet (se ”Tillämpningar av ferroelektriker: fem av de bästa”). Varken Swann eller Valasek hade dock hört talas om begreppet, som myntades 1912 av Erwin Schrödinger efter att ha förutspått att vissa vätskor spontant kan polariseras när de stelnar. Dessutom gick Valaseks upptäckt i stort sett obemärkt förbi. Trots att han skrev fyra artiklar om sina observationer i Physical Review mellan 1921 och 1924 med ytterligare en notis i Science 1927 gjordes inga försök att fastställa den teoretiska grunden för detta fenomen under hela 1920-talet.

De flesta fysiker, verkar det som, var mer intresserade av kvantfysik och andra grundläggande fenomen som Braggdiffraktion och Ramanspektroskopi. Det var faktiskt inte förrän i slutet av 1930-talet som någon faktiskt använde ordet ”ferroelektricitet” igen i litteraturen. Forskningen tog fart på allvar först efter att den blivande Nobelpristagaren i fysik, Vitaly Ginzburg, skrev en klassisk artikel om ämnet 1946, även om även han kallade det för den ”Seignetto-elektriska” effekten med tanke på att den först hade observerats i Seignette-salt.

Fältet fick också ett uppsving genom upptäckten under andra världskriget av ett annat ferroelektriskt material: bariumtitanat (BaTiO3). Till skillnad från Rochelle-saltet är det olösligt i vatten, kemiskt stabilt vid rumstemperatur och har mycket bättre elektriska och mekaniska egenskaper. Bariumtitanat var därför ett perfekt material för kondensatorer med hög energitäthet, även om det var först efter kriget som forskarna insåg att det var ferroelektriskt med en avslöjande hysteres i de elektriska egenskaperna.

Teoretiker började nu utveckla en ordentlig förståelse för ferroelektrikers beteende, med hjälp av experimentalister som började utföra noggranna kristallografiska analyser av dessa materials struktur. I slutet av 1950-talet hade man upptäckt flera hundra olika oxidbaserade ferroelektriska material – som tillhörde ett 30-tal olika strukturfamiljer – och fysikerna testade deras elektriska egenskaper och bedömde deras potential för nya tillämpningar inom apparatur.

En konsekvens av denna systematiska studie av ferroelektricitet kom 1968 när forskare som Keitsiro Aizu från Hitachis centrala forskningslaboratorium i Tokyo, Japan, förutspådde att det skulle kunna finnas ett liknande hysteresliknande förhållande mellan ett materials elastiska töjning och den påförda påkänningen. Vissa av dessa material, som kallas ”ferroelastiska”, är ovanliga på så sätt att om man kyler dem under en viss temperatur och sedan förvränger dem mekaniskt, återfår de sin ursprungliga form om man värmer upp dem igen.

Dessa ferroelastiska material ”minns” med andra ord sin ursprungliga fysiska och geometriska form. De omfattar ”formminneslegeringar” som nickel-titan, som används i stor utsträckning för manöver- och positioneringsanordningar, medan andra används i allt från elkablar på havsbotten till böjbara glasögonbågar. Ferroelastiska material används till och med i rymden för att bilda antenner och andra prylar som kan vikas ihop och sedan rullas ut när de värms upp.

Möt familjen

I slutet av 1960-talet kände fysikerna därför till tre materialfamiljer som alla uppvisade hysteres: ferroelektriker, ferromagneter och ferroelastiska material. Gemensamt för dem alla är att angränsande kristallina domäner har en särskild egenskap som ”pekar” i motsatta riktningar (elektrisk dipol för ferroelektriker, magnetism för ferromagneter och spänning för ferroelastiska material) som kan ”växlas om” med hjälp av ett yttre fält så att de alla pekar i samma riktning. Ginzburg – och en annan framtida nobelpristagare, Lev Landau – kunde förklara beteendet hos alla tre typerna med en enda enkel fenomenologisk teori.

Vissa forskare började till och med gruppera materialen under den gemensamma benämningen ”ferrokis” – ett namn som fastnade i litteraturen trots att många av ämnena egentligen inte innehåller något järn. På 1970-talet upptäckte man faktiskt också en fjärde familj av ferroiska material, kända som ”ferrotoroidics”, som har en hysteres i det toroidiska fältet (korsprodukten av det elektriska och magnetiska fältet). De omfattar material som litiumkoboltfosfat (LiCo(PO4)3) och har magnetiska virvlar i angränsande domäner som kan fås att ligga i linje.

Och som om det inte vore nog har forskarna också hittat material som kombinerar mer än en ferroisk egenskap, antingen i en enskild fas eller som en sammansatt struktur. De kallas ”multiferroiska” och omfattar ”magnetoelektriska” material där magnetiseringen kan kontrolleras av ett elektriskt fält och polariseringen kan manipuleras av ett magnetfält (något som Pierre Curie föreslog redan 1894). Sådana material kan till exempel mäta magnetfält i picotesla-storlek från mänskliga neuroner vid rumstemperatur.

Det mest intressanta med ferroelektriska material är att sådana material också är piezoelektriska (genererar elektricitet när de utsätts för påfrestningar) och pyroelektriska (genererar elektricitet när de utsätts för en temperaturvariation). Dessa unika egenskaper har lett till att ferroelektriska material används i många tillämpningar, från kondensatorer med hög energitäthet och nattseendeapparater till medicinsk utrustning med ultraljud, smarta tekniker för energiutvinning samt manöverdon och översättare. Du hittar till och med ferroelektricitet i inbrottslarm, tändare och puls- och blodtrycksmätare.

Framtiden är ferroelektrisk

Ett sekel efter upptäckten av ferroelektricitet har det som började som ett nischat forskningsområde vuxit enormt, med mer än 20 000 forskningsartiklar som publicerats om ämnet hittills, drivet av dess otaliga tillämpningar från den nano- till den makroskopiska skalan. Det har till och med utvidgats till biologi, med ferroelektriskt beteende som till exempel har visat sig förekomma i aminosyror och i väggen i aortablodkärlen hos grisar. Ferroelektriska material skulle till och med kunna användas för att tillverka sensorer som kan efterlikna många mänskliga ”multifunktionella sensoriska system”.

Andra intressanta utvecklingar omfattar exotiska material som ”relaxorer” (där den dielektriska responsen beror på frekvensen hos det applicerade fältet) och ”kvantparaklektricitet” (där kvantfluktuationer undertrycker uppkomsten av ferroelektrisk ordning). Forskare har också börjat studera 2D-ferroelektriska material, med atom-för-atom-avlagring och beräkningar enligt första principer som pekar på nya typer av nanoskaliga anordningar och sensorer som skulle kunna vara särskilt användbara för att studera människokroppen. När allt kommer omkring beter sig hud, hår, naglar och många andra biologiska vävnader som piezoelektriska och ferroelektriska när de utsätts för ett elektriskt fält, och piezorespons-kraftmikroskop ger redan kvantitativa data om människans biofunktionalitet.

Även den grundläggande fysiken har inte varit immun mot kraften hos ferroelektricitet, och forskarna har nyligen observerat exotiska topologiska defekter som kallas ”polära skyrmioner” och ”polära hopfioner” i ferroelektriska material för första gången. Det som började som en oskyldig experimentell observation av en doktorand för hundra år sedan kommer, tror vi, att fortsätta att gynna vetenskap, teknik och liv i ytterligare hundra år och framåt.

Användningar av ferroelektriska material: fem av de bästa

Hög-energikondensatorer och effektiva energilagringsanordningar

Nattseende teknik

Kameror som kan ”se” på natten kräver material som genererar elektrisk laddning som svar på variationer i temperatur. Pyroelektriska material, som genererar en spänning när de värms upp eller kyls, kan göra jobbet, men det är bättre att använda ferroelektriska material som triglycinsulfat. De har en mycket högre ”pyroelektrisk koefficient” och kan lösa temperaturskillnader som är så små som 0,01 K. Infraröd strålning från t.ex. en människokropp kan fokuseras på matriser av ferroelektriska material, som absorberar ljuset och omvandlar det till en spänning som kan användas för att skapa en bild som motsvarar personens temperaturprofil. Sådana kameror används också inom medicin, säkerhet och nattseende. Zoologer har till och med använt nattsynsutrustning för att se djur som de tidigare trodde var utdöda, bland annat vildhundar på Nya Guinea.

Medicinskt ultraljud och undervattensakustik

Alla ferroelektriska material är piezoelektriska, vilket innebär att de genererar en elektrisk spänning när de utsätts för tryck från ett föremål. Spänningen kan sedan användas för att skapa en bild av objektet. Trycket behöver dock inte vara genom direkt fysisk kontakt: det kan också komma från ljudvågor som reflekteras av ett objekt som i sig självt är under spänning. Ferroelektriska element används därför ofta inom medicinen för att avbilda ofödda barn för att kontrollera hur de växer och utvecklas i moderns livmoder. En liknande princip ligger bakom hydrofonen: en anordning som kan samla in ljudvågor som studsar från undervattensobjekt, t.ex. fiskstimmar. Ferroelektriska element har också använts för att kartlägga havsbottnens topografi – till exempel 2014 när de användes för att lokalisera Malaysian Airlines flight MH370, som försvann någonstans i södra Indiska oceanen på en flygning från Kuala Lumpur till Peking.

Aktuatorer och översättare

Med tanke på att alla ferroelektriska material är piezoelektriska, kommer materialet, om man anlägger ett elektriskt fält, att förändra sina dimensioner i en eller flera tillåtna riktningar, vilket bestäms av dess grundläggande kristallstruktur. Dimensionsförändringen kan vara knappt några få pikometer per volt – men det kan ändå vara ovärderligt. Ferroelektriska material som till exempel blyzirkoniumtitanat används i atomkraftmikroskop för att se enskilda atomer i material och även i sveptunnelmikroskop, för vilka Gerd Binnig och Heinrich Rohrer fick Nobelpriset i fysik 1986. Liknande material finns också i piezo- och magnetkraftmikroskop. Ett annat ferroelektriskt material – blymagnesiumniobat/blytitanat – ingick i den anordning som NASA 1991 använde för att korrigera brister i spegeln på rymdteleskopet Hubble. Tidigare urvattnade bilder, t.ex. av kärnan i galaxen M100, blev nu mycket tydligare (jämför ovan till vänster och höger).

Energiskörd

Ferroelektriska material kan generera elektricitet under påverkan av en inmatningströskel, vilket innebär att vissa – som till exempel blyzirkoniumtitanat som är inbäddat i en polymer – skulle kunna användas för att skörda den energi från bilar och lastbilar som annars går förlorad som värme eller buller. Den energi som kan genereras från sådana anordningar är för närvarande relativt liten – vanligtvis några få milliwatts – baserad på skivor av polyvinylidendifluorid (PVDF) och deras polymerkompositer. Men om vi kan hitta billiga sätt att öka produktionen av enheterna kan vi vara på väg mot en vinnare. Ett annat lovande användningsområde för energiskörningsanordningar är medicin och biologi, där endast mycket små energier är inblandade. De skulle kunna vara en välsignelse för patienter som har utrustats med batteridrivna mekaniska pacemakers för att hålla sina hjärtan igång. Om batterierna tar slut är det enda sättet att byta ut dem att en kirurg opererar patienten. Men om batterierna kunde laddas upp av den spänning som genereras i ett ferroelektriskt material direkt från hjärtslagets tryck, skulle sådana operationer höra till det förflutna.