Los fenómenos en los que interviene la
interacción electromagnética han despertado la curiosidad humana desde los comienzos
de la ciencia. Ya en el S. VI a.c. los
griegos observaron que tras friccionar una resina como el ámbar esta atraía a
algunos materiales livianos, y también cómo materiales como el hierro eran
atraídos por otros, como es el caso de la magnetita, el imán natural más
antiguamente conocido. Exceptuando el
descubrimiento de la brújula, pocos progresos significativos tuvieron lugar
hasta comienzos del S. XIX, cuando Christian Oersted advirtió la desviación de
una aguja imantada al ser colocada en dirección perpendicular a un conductor
eléctrico. Trabajos posteriores de los científicos Ampère y Faraday dieron
lugar al desarrollo de una sola teoría para describir los fenómenos eléctricos
y magnéticos, mejorada y unificada por Maxwell en 1862 dando lugar a sus famosas
ecuaciones.
En medios materiales aparecen fenómenos conocidos
como la ferroelectridad y el ferromagnetismo.
Existe un claro paralelismo en el tratamiento formal de ambos, sin
embargo, su origen microscópico es muy diferente (¡y además el Fe no tiene por
qué estar involucrado en ellos!). Los
materiales en los que ambos fenómenos tienen lugar y se dan la mano son
conocidos como materiales multiferroicos.
Por un lado, un material ferroeléctrico
es aquel que posee una polarización eléctrica espontánea P, debido al desplazamiento colectivo de cationes y aniones que
crean dipolos eléctricos (dos cargas de signo contrario separadas por una
cierta distancia). Los dipolos eléctricos del
material pueden alinearse y ser controlados por un campo eléctrico externo. La
mayoría de ellos son óxidos de metales de transición aislantes, que presentan
capas electrónicas d vacías en el
metal de transición (región verde figura 1).
Por el contrario, un material magnético requiere de capas electrónicas
semi-llenas (región morada figura 1) que dotan al material de una imanación
neta M. El alineamiento de los momentos magnéticos de
espín puede redirigirse mediante campos magnéticos.
A
pesar de que a priori ambos fenómenos aparenten ser excluyentes, hay casos en
los que los grados de libertad eléctricos y magnéticos están acoplados. En
tales materiales es posible controlar su respuesta eléctrica (P) y magnética (M) mediante campos magnéticos y eléctricos respectivamente y se
dice que presentan acoplamiento magnetoeléctrico lineal (región azul en la
figura 1). El físico Pierre Curie fue el primero en
predecir teóricamente el efecto magnetoeléctrico en medios materiales en 1894, pero
no fue hasta 1960 cuando su conjetura fue demostrada experimentalmente por
Astrov, que detectó por primera vez el efecto magnetoeléctrico en el óxido de
Cromo, Cr2O3. Con
el objetivo de explotar las llamativas propiedades de estos materiales, a partir
de la década de los 60 se han intentado buscar compuestos donde no sólo haya
acoplamiento entre sus respuestas a campos externos, sino que además los
ordenamientos ferroeléctrico y ferromagnético tengan lugar de manera
espontánea.
La simetría juega un papel fundamental en la
aparición de un estado multiferroico. En un principio, se podría pensar que los
multiferroicos son aquellos materiales cuyas propiedades físicas, estructurales
y electrónicas, sean la suma de las de un material ferroeléctrico y un material
magnético. Atendiendo a su simetría, encontramos 31 grupos magnéticos o de
Shubnikov que permiten la polarización espontánea y otros 31 en los que es
posible tener magnetización espontánea. De la intersección de ambos se obtienen
13 grupos. Sin embargo, dentro de estas 13 simetrías, se encuentran materiales
que no son multiferroicos magnetoeléctricos.
En definitiva, el multiferroismo entraña varios factores competitivos
bastante sutiles y entre otras muchas causas, las cuestiones clave que se
plantean para entender la aparición del multiferroísmo es cómo es posible que
el ordenamiento magnético provoque la ferroelectricidad y cuál es el papel de
la frustración magnética en todo ello.
Desde las últimas dos décadas, el estudio y
la búsqueda de materiales multiferroicos está siendo una de las cuestiones más
atrayentes y desafiantes en física de la materia condensada [2]. El resurgimiento del estudio de estos
materiales se explica por varios motivos: estos materiales son muy interesantes
desde el punto de vista de la investigación fundamental, dado que los
mecanismos por los que surge la multiferroicidad no se han esclarecido de una
forma sistemática hasta el momento; por otro lado, abren un nuevo abanico de
aplicaciones en espintrónica y almacenamiento magnetoeléctrico de la
información. En particular, además de aunar las aplicaciones que tienen los
materiales ferromagnéticos (como el almacenamiento de información en regiones
de polarización magnética opuesta) y ferroeléctricos (como sensores, memorias
RAM), los multiferroicos magnetoeléctricos ofrecen la posibilidad de diseñar
memorias magnetoeléctricas. Este es el caso del BiFeO3, que es
multiferroico a temperatura ambiente y permite la manipulación de su imanación
mediante campos eléctricos, lo cual representa un paso fundamental en el
control magnetoeléctrico de dispositivos en espintrónica [3]. Otras vías de
investigación promueven la creación de dispositivos con cuatro estados lógicos
(dos magnéticos y dos eléctricos), como es el caso de las uniones túnel en
películas delgadas de La0.1Bi0.9MnO3 [4].
A pesar de que pueda parecer relativamente
sencillo encontrar materiales con propiedades magnetoeléctricas acopladas,
estamos aún lejos de dar con el multiferroico
perfecto. La explicación podemos encontrarla en los dos multiferroicos más
estudiados hasta el momento, que son el BiFeO3 y el TbMnO3 [5]. El punto a favor del primero es que presenta
acoplamiento magnetoeléctrico a temperatura ambiente y el valor de polarización
eléctrica es comparable al de un ferroeléctrico estándar. Sin embargo, su imanación es muy débil, así
que el punto flaco se encuentra en sus propiedades magnéticas. El TbMnO3 al contrario presenta una buena
respuesta magnética, pero a muy bajas temperaturas, y su polarización eléctrica
es muy débil. Es por ello que las
últimas investigaciones apuntan hacia la aplicación de estímulos externos para
tratar de mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas y trasladarlas a
temperatura ambiente. Y todo ello se
consigue gracias al constante avance en el control de parámetros como la
presión o la tensión epitaxial en el caso de la fabricación de películas
delgadas. Por ejemplo, trabajos muy
recientes en el TbMnO3 muestran una notable mejoría en sus
propiedades eléctricas, bien al aplicar presión por encima de 4 GPa [6], o bien
al ajustar la tensión epitaxial en la fabricación de películas delgadas [7].
La obtención de materiales multiferroicos en condiciones ambiente resulta muy interesante para aplicaciones tecnológicas.
Por un lado, los materiales ferromagnéticos son el ingrediente básico en
tecnología de sensores o en dispositivos de almacenamiento de información, como
los discos duros que hay en nuestros ordenadores. Por otra parte, los materiales
ferroeléctricos suelen usarse en sistemas que puedan generar o detectar
pequeñas deformaciones mecánicas, como los altavoces y los sensores de presión.
La utilidad más clara del acoplamiento
de ambos fenómenos se manifiesta en el campo de la espintrónica, concretamente
en la utilización de elementos de memoria multiferroicos,
donde puede utilizarse un pulso de voltaje para controlar su estado
ferroeléctrico (polarización eléctrica) y al mismo tiempo, a través un
acoplamiento interno magnetoeléctrico, activar un estado de memoria
ferromagnético que representa un bit de memoria. La ventaja reside en utilizar pulsos de
voltaje en lugar de corrientes eléctricas para controlar el estado de la
memoria, ya que estos pulsos se transmiten más rápidamente y consumen menos
potencia, lo cual evita tanto problemas de recalentamiento como de limitaciones
en el tiempo de procesamiento de la información.
La investigación en el campo de los
materiales magnetoeléctricos es y seguirá siendo en los próximos años un gran
reto para la comunidad científica.
Gracias al mayor control en la fabricación de materiales y en la
aplicación de estímulos externos como los campos magnéticos o la presión,
esperamos que llegue el día en el que podamos dominar de manera precisa al
viejo, ¡pero todavía fresco!, tándem magnetoeléctrico.
Texto de Vera Cuartero, investigadora en el European Synchrotron Radiation Facility de Grenoble.
Texto de Vera Cuartero, investigadora en el European Synchrotron Radiation Facility de Grenoble.
[1] D. N. Astrov,
Sov. Phy. JETP 10, 708 (1960)
[2] N. A.
Spaldin and M. Fiebig, Science 309, 391 (2005). N. A. Spaldin, S. W. Cheong and
R. Ramesh, Phys. Today 63, 38 (2010).
[3] M. Bibes and A. Barthélémy, Nature Mat. 7, 425 (2008)
[4] M. Gajek, M. Bibes, S. Fusil, K. Bouzehouane, J. Fontcuberta, A.
Barthélémy and A. Fert, Nature Mat. 6, 296 (2007).
[5] T. Kimura, T. Goto, H. Shintani, K. Ishizka,
T. Arima and Y. Tokura. Nature (London) 426, 55 (2003).
[6] T. Aoyama et al., “Giant spin-driven ferroelectric polarization
in TbMnO3 under high pressure” Nature Comm. 5, 4927 (2014).
[7] K. Shimamoto et al., “Tuning the multiferroic mechanisms of
TbMnO3 by epitaxial strain” Scientific Reports 7, 44753 (2017).
Respondo a continuación a los comentarios generados en twitter a raíz de esta entrada por César Tomé López:
ResponderEliminar1) La definición formal de un material ferroeléctrico corresponde con aquél material en el que la polarización eléctrica se invierte al invertir el signo del campo eléctrico externo aplicado. La aparición de polarización eléctrica espontánea es condición necesaria, pero no suficiente. Así, los piezoeléctricos y los piroeléctricos no son ferroeléctricos aunque presenten polarización espontánea, porque ésta no cambia de signo al invertir el signo del campo eléctrico aplicado.
En la introducción a los ferroeléctricos que aparece en el blog se intenta correlacionar el concepto con el de un dipolo eléctrico, al tratarse de un concepto más extendido.
2) El fenómeno de la ferroelectricidad está efectivamente ligado a la distorsión de la coordinación poliédrica de uno o más cationes en la estructura cristalina, ya que requiere de una simetría polar(sin centro de inversión) para que haya un momento dipolar neto.
En esta entrada se quiere poner el énfasis en aquellos ferroeléctricos governados por la ruptura de simetría debida al ordenamiento magnético.
Hola Vera,
ResponderEliminarMi problema no está en esta parte "un material ferroeléctrico es aquel que posee una polarización eléctrica espontánea P," sino en esta " debido al desplazamiento colectivo de cationes y aniones que crean dipolos eléctricos (dos cargas de signo contrario separadas por una cierta distancia)", ya que algún lector podría interpretar que cationes y aniones se mueven libremente por ahí creando dipolos de aquella manera.
Yo, en mi modesto saber y entender, diría algo así como: "Un material ferroeléctrico es un material cristalino [no es un líquido, ni un gas, ni un sólido amorfo] que posee una polarización eléctrica espontánea P, que aparece porque las unidades estructurales del cristal son dipolos eléctricos, es decir en cada unidad estructural del cristal los centros de carga positiva y negativa están ligeramente separados. Cambios en la estructura cristalina pueden hacer que el material deje de ser ferroeléctrico."
Comprendo que es una pedantería, pero es que uno es así de mijitero, que se dice en mi pueblo, y le gusta que los textos interesantes de cosas poco difundidas se acerquen a lo óptimo. Ya disculparás la osadía.
Hola César,
ResponderEliminarGracias por la aclaración y por tu aportación para la mejor comprensión de la entrada. Todas las observaciones con el objetivo de clarificar conceptos son bienvenidas, por supuesto.
Espero entonces que a partir de los comentarios se entienda definitivamente qué es un material ferroeléctrico, lo cual es fundamental para seguir el resto del texto y comprender las particularidades y ventajas de los multiferroicos.
Vera