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multiferroicos

Los multiferroicos se definen como materiales que exhiben más de una de las propiedades ferroicas primarias en la misma fase: [1]

Si bien los ferroelásticos ferroeléctricos y los ferroelásticos ferromagnéticos son formalmente multiferroicos, en la actualidad el término se usa generalmente para describir los multiferroicos magnetoeléctricos que son simultáneamente ferromagnéticos y ferroeléctricos. [1] A veces, la definición se amplía para incluir parámetros de orden no primario, como el antiferromagnetismo o el ferrimagnetismo . Además, se propusieron otros tipos de orden primario, como las disposiciones ferroicas de multipolos magnetoeléctricos [2] de las cuales la ferrotoroidicidad [3] es un ejemplo.

Además del interés científico por sus propiedades físicas, los multiferroicos tienen potencial para aplicaciones como actuadores, interruptores, sensores de campo magnético y nuevos tipos de dispositivos de memoria electrónicos. [4]

Historia

Historia de los multiferroicos: número de artículos por año sobre magnetoeléctricos o el efecto magnetoeléctrico (en azul) y sobre multiferroicos (en rojo)

Una búsqueda en Web of Science del término multiferroico arroja el artículo del año 2000 "¿Por qué hay tan pocos ferroeléctricos magnéticos?" [5] de NA Spaldin (entonces Hill) como el resultado más temprano. Este trabajo explicó el origen de la contraindicación entre magnetismo y ferroelectricidad y propuso rutas prácticas para sortearla, y se le atribuye ampliamente el inicio de la explosión moderna de interés en los materiales multiferroicos. [6] La disponibilidad de rutas prácticas para la creación de materiales multiferroicos a partir del año 2000 [5] estimuló una intensa actividad. Los primeros trabajos particularmente clave fueron el descubrimiento de una gran polarización ferroeléctrica en películas delgadas de BiFeO 3 magnético cultivadas epitaxialmente , [7] la observación de que el orden magnético no colineal en TbMnO 3 ortorrómbico [8] y TbMn 2 O 5 [9] causa ferroelectricidad. y la identificación de ferroelectricidad inadecuada inusual que es compatible con la coexistencia de magnetismo en manganita hexagonal YMnO 3 . [10] El gráfico de la derecha muestra en rojo el número de artículos sobre multiferroicos de una búsqueda en Web of Science hasta 2008; El aumento exponencial continúa hoy.

Materiales magnetoeléctricos

Para situar los materiales multiferroicos en su contexto histórico apropiado, también es necesario considerar los materiales magnetoeléctricos , en los que un campo eléctrico modifica las propiedades magnéticas y viceversa. Si bien los materiales magnetoeléctricos no son necesariamente multiferroicos, todos los multiferroicos ferromagnéticos son magnetoeléctricos lineales, en los que un campo eléctrico aplicado induce un cambio en la magnetización linealmente proporcional a su magnitud. Los materiales magnetoeléctricos y el correspondiente efecto magnetoeléctrico tienen una historia más larga que los multiferroicos, como se muestra en azul en el gráfico de la derecha. La primera mención conocida de la magnetoelectricidad se encuentra en la edición de 1959 de Electrodinámica de medios continuos de Landau y Lifshitz , que tiene el siguiente comentario al final de la sección sobre piezoelectricidad : "Señalemos dos fenómenos más que, en principio, podrían existir". Uno es el piezomagnetismo, que consiste en un acoplamiento lineal entre un campo magnético en un sólido y una deformación (análogo a la piezoelectricidad), el otro es un acoplamiento lineal entre campos magnéticos y eléctricos en un medio, lo que provocaría, por ejemplo, una magnetización. proporcional a un campo eléctrico. Ambos fenómenos podrían existir para ciertas clases de simetría magnetocristalina. Sin embargo, no discutiremos estos fenómenos con más detalle porque parece que hasta el momento, presumiblemente, no se han observado en ninguna sustancia." Un año más tarde, IE Dzyaloshinskii demostró mediante argumentos de simetría que el material Cr 2 O 3 debería tener un comportamiento magnetoeléctrico lineal [11] y su predicción fue rápidamente verificada por D. Astrov. [12] Durante las siguientes décadas, la investigación sobre materiales magnetoeléctricos continuó de manera constante en varios grupos en Europa, en particular en la antigua Unión Soviética y en el grupo de H. Schmid en la Universidad de Ginebra. Entre 1973 (en Seattle) y 2009 (en Santa Bárbara) se celebró una serie de conferencias Este-Oeste tituladas Fenómenos de interacción magnetoeléctrica en cristales (MEIPIC), y de hecho, el término "magnetoeléctrico multiferroico" fue utilizado por primera vez por H. Schmid en las actas de la conferencia MEIPIC de 1993 (en Ascona). [13]

Mecanismos para combinar ferroelectricidad y magnetismo.

Para ser definido como ferroeléctrico, un material debe tener una polarización eléctrica espontánea que sea conmutable mediante un campo eléctrico aplicado. Por lo general, dicha polarización eléctrica surge a través de una distorsión estructural que rompe la simetría por inversión de una fase centrosimétrica principal. Por ejemplo, en el titanato de bario ferroeléctrico prototípico, BaTiO 3 , la fase principal es la estructura de perovskita cúbica ideal ABO 3 , con el ion Ti 4+ del sitio B en el centro de su octaedro de coordinación de oxígeno y sin polarización eléctrica. En la fase ferroeléctrica, el ion Ti 4+ se aleja del centro del octaedro provocando una polarización. Tal desplazamiento sólo tiende a ser favorable cuando el catión del sitio B tiene una configuración electrónica con una capa d vacía (la llamada configuración d 0 ), lo que favorece la formación de enlaces covalentes que reducen la energía entre el catión del sitio B y el catión vecino. aniones de oxígeno. [5]

Este requisito de "d0-ness" [5] es un claro obstáculo para la formación de multiferroicos, ya que el magnetismo en la mayoría de los óxidos de metales de transición surge de la presencia de capas d de metales de transición parcialmente llenas. Como resultado, en la mayoría de los multiferroicos, la ferroelectricidad tiene un origen diferente. A continuación se describen los mecanismos que se sabe que evitan esta contraindicación entre ferromagnetismo y ferroelectricidad. [14]

pareja solitaria activa

En los multiferroicos activos de pares solitarios, [5] el desplazamiento ferroeléctrico es impulsado por el catión del sitio A, y el magnetismo surge de una capa d parcialmente llena en el sitio B. Los ejemplos incluyen ferrita de bismuto , BiFeO 3 , [15] BiMnO 3 (aunque se cree que es antipolar), [16] y PbVO 3 . [17] En estos materiales, el catión del sitio A (Bi 3+ , Pb 2+ ) tiene un par de electrones solitarios llamado estereoquímicamente activo 6s 2 , y el descentramiento del catión del sitio A se ve favorecido por un intercambio de electrones que reduce la energía entre los orbitales 6p del sitio A formalmente vacíos y los orbitales 2p O llenos. [18]

Ferroelectricidad geométrica

En la ferroeléctrica geométrica, la fuerza impulsora para la transición de fase estructural que conduce al estado ferroeléctrico polar es una distorsión rotacional de los poliedros en lugar de la formación de un enlace covalente que comparte electrones. Estas distorsiones rotacionales ocurren en muchos óxidos de metales de transición; en las perovskitas, por ejemplo, son comunes cuando el catión del sitio A es pequeño, de modo que los octaedros de oxígeno colapsan a su alrededor. En las perovskitas, la conectividad tridimensional de los poliedros significa que no se produce polarización neta; si un octaedro gira hacia la derecha, su vecino conectado gira hacia la izquierda y así sucesivamente. Sin embargo, en materiales estratificados, tales rotaciones pueden conducir a una polarización neta.

Los ferroeléctricos geométricos prototípicos son los fluoruros de metales de transición de bario en capas, BaMF 4 , M=Mn, Fe, Co, Ni, Zn, que tienen una transición ferroeléctrica alrededor de 1000 K y una transición magnética a un estado antiferromagnético alrededor de 50 K. [19] Dado que la distorsión no es impulsada por una hibridación entre el catión del sitio D y los aniones, es compatible con la existencia de magnetismo en el sitio B, lo que permite un comportamiento multiferroico. [20]

Un segundo ejemplo lo proporciona la familia de manganitas hexagonales de tierras raras (h- R MnO 3 con R =Ho-Lu, Y), que tienen una transición de fase estructural alrededor de 1300 K que consiste principalmente en una inclinación de las bipirámides de MnO 5 . [10] Si bien la inclinación en sí tiene polarización cero, se acopla a una corrugación polar de las capas de iones R que produce una polarización de ~6 µC/cm 2 . Dado que la ferroelectricidad no es el parámetro de orden primario, se describe como impropia . La fase multiferroica se alcanza a ~100K cuando surge un orden antiferromagnético triangular debido a la frustración del espín. [21] [22]

Orden de carga

El ordenamiento de cargas puede ocurrir en compuestos que contienen iones de valencia mixta cuando los electrones, que se deslocalizan a alta temperatura, se localizan en un patrón ordenado en diferentes sitios catiónicos de modo que el material se vuelve aislante. Cuando el patrón de electrones localizados es polar, el estado ordenado de carga es ferroeléctrico. Normalmente, en este caso los iones son magnéticos y, por tanto, el estado ferroeléctrico también es multiferroico. [23] El primer ejemplo propuesto de una carga ordenada multiferroica fue LuFe 2 O 4 , que carga órdenes a 330 K con una disposición de iones Fe 2+ y Fe 3+ . [24] El orden ferrimagnético ocurre por debajo de 240 K. Sin embargo, recientemente se ha cuestionado si el orden de carga es polar o no. [25] Además, se sugiere ferroelectricidad con carga ordenada en la magnetita, Fe 3 O 4 , debajo de su transición Verwey, [26] y (Pr,Ca)MnO 3 . [23]

Ferroelectricidad impulsada magnéticamente

En los multiferroicos impulsados ​​magnéticamente [27], la polarización eléctrica macroscópica es inducida por un orden magnético de largo alcance que no es centrosimétrico. Formalmente, la polarización eléctrica , está dada en términos de la magnetización, por

.

Al igual que la ferroelectricidad geométrica discutida anteriormente, la ferroelectricidad es impropia porque la polarización no es el parámetro de orden primario (en este caso el orden primario es la magnetización) para la transición de fase ferroica.

El ejemplo prototípico es la formación del estado espiral magnético no centrosimétrico, acompañado de una pequeña polarización ferroeléctrica, por debajo de 28 K en TbMnO 3 . [8] En este caso la polarización es pequeña, 10 −2 μC/cm 2 , porque el mecanismo que acopla la estructura de espín no centrosimétrica a la red cristalina es el acoplamiento débil espín-órbita. Se producen polarizaciones más grandes cuando el orden magnético no centrosimétrico es causado por una interacción de superintercambio más fuerte, como en el HoMnO 3 ortorrómbico y materiales relacionados. [28] En ambos casos el acoplamiento magnetoeléctrico es fuerte porque la ferroelectricidad es causada directamente por el orden magnético.

magnetismo del electrón f

Si bien la mayoría de los multiferroicos magnetoeléctricos desarrollados hasta la fecha tienen magnetismo de electrones d de metales de transición convencionales y un mecanismo novedoso para la ferroelectricidad, también es posible introducir un tipo diferente de magnetismo en un ferroeléctrico convencional. La ruta más obvia es utilizar un ion de tierras raras con una capa parcialmente llena de electrones f en el sitio A. Un ejemplo es EuTiO 3 que, si bien no es ferroeléctrico en condiciones ambientales, se vuelve ferroeléctrico cuando se tensa un poco [29] o cuando su constante de red se expande, por ejemplo, sustituyendo algo de bario en el sitio A. [30]

Composicion

Sigue siendo un desafío desarrollar buenos multiferroicos monofásicos con gran magnetización y polarización y un fuerte acoplamiento entre ellos a temperatura ambiente. Por lo tanto, los compuestos que combinan materiales magnéticos, como FeRh, [31] con materiales ferroeléctricos, como PMN-PT, son una ruta atractiva y establecida para lograr la multiferroicidad. Algunos ejemplos incluyen películas delgadas magnéticas sobre sustratos piezoeléctricos de PMN-PT y estructuras tricapa de Metglass/PVDF/Metglass. [32] Recientemente se ha demostrado un interesante crecimiento capa por capa de un compuesto multiferroico a escala atómica, que consiste en capas individuales de LuFeO 3 ferroeléctrico y antiferromagnético que se alternan con LuFe 2 O 4 ferrimagnético pero no polar en una superred. [33]

Un nuevo enfoque prometedor son las cerámicas de tipo núcleo-carcasa en las que se forma un compuesto magnetoeléctrico in situ durante la síntesis. En el sistema (BiFe 0,9 Co 0,1 O 3 ) 0,4 - (Bi 1/2 K 1/2 TiO 3 ) 0,6 (BFC-BKT) se ha observado un acoplamiento ME muy fuerte a escala microscópica utilizando PFM bajo un campo magnético. Además, se ha observado la conmutación de la magnetización a través de un campo eléctrico utilizando MFM. [34] Aquí, los granos núcleo-cubierta activos de ME consisten en núcleos magnéticos de CoFe 2 O 4 (CFO) y una cubierta (BiFeO 3 ) 0.6 -(Bi 1/2 K 1/2 TiO 3 ) 0.4 (BFO-BKT) donde el núcleo y la cáscara tienen una estructura reticular epitaxial. [35] El mecanismo del fuerte acoplamiento ME se produce a través de la interacción de intercambio magnético entre CFO y BFO a través de la interfaz núcleo-capa, lo que da como resultado una temperatura de Neel excepcionalmente alta de 670 K de la fase BF-BKT.

Otro

Ha habido informes de grandes acoplamientos magnetoeléctricos a temperatura ambiente en multiferroicos tipo I, como en la perovskita magnética "diluida" (PbZr 0,53 Ti 0,47 O 3 ) 0,6 –(PbFe 1/2 Ta 1/2 O 3 ) 0,4 ( PZTFT) en ciertas fases de Aurivillius. Aquí, se ha observado un fuerte acoplamiento ME a escala microscópica utilizando PFM bajo campo magnético, entre otras técnicas. [36] [37] Se han informado multiferroicos híbridos orgánicos-inorgánicos en la familia de las perovskitas con formiato metálico, [38] así como multiferroicos moleculares como [(CH 3 ) 2 NH 2 ][Ni(HCOO) 3 ], con acoplamiento elástico mediado por tensión entre los parámetros de orden. [39]

Clasificación

Multiferroicos tipo I y tipo II

En 2009, D. Khomskii introdujo un útil esquema de clasificación de los multiferroicos en los llamados multiferroicos de tipo I y tipo II. [40]

Khomskii sugirió el término multiferroico tipo I para materiales en los que la ferroelectricidad y el magnetismo se producen a diferentes temperaturas y surgen de diferentes mecanismos. Normalmente, la distorsión estructural que da origen a la ferroelectricidad se produce a alta temperatura, y el ordenamiento magnético, que suele ser antiferromagnético, se establece a temperatura más baja. El ejemplo prototípico es BiFeO 3 (T C = 1100 K, T N = 643 K), con la ferroelectricidad impulsada por el par solitario estereoquímicamente activo del ion Bi 3+ y el orden magnético causado por el mecanismo de superintercambio habitual. YMnO 3 [41] (T C =914 K, T N =76 K) también es de tipo I, aunque su ferroelectricidad se denomina "impropia", lo que significa que es un efecto secundario que surge de otra distorsión estructural (primaria). . La aparición independiente del magnetismo y la ferroelectricidad significa que los dominios de las dos propiedades pueden existir independientemente uno del otro. La mayoría de los multiferroicos de tipo I muestran una respuesta magnetoeléctrica lineal, así como cambios en la susceptibilidad dieléctrica en la transición de fase magnética.

El término multiferroico tipo II se utiliza para materiales en los que el orden magnético rompe la simetría de inversión y "causa" directamente la ferroelectricidad. En este caso, las temperaturas de orden para los dos fenómenos son idénticas. El ejemplo prototípico es TbMnO 3 , [42] en el que una espiral magnética no centrosimétrica acompañada por una polarización ferroeléctrica se establece a 28 K. Dado que la misma transición causa ambos efectos, por construcción están fuertemente acoplados. Sin embargo, las polarizaciones ferroeléctricas tienden a ser órdenes de magnitud más pequeñas que las de los multiferroicos de tipo I, típicamente del orden de 10 −2 μC/cm 2 . [40] También se ha informado del efecto opuesto en la sal de transferencia de carga aislante de Mott: (BEDT-TTF)2Cu[N(CN)
2]Cl . [43] Aquí, una transición de orden de carga a una caja ferroeléctrica polar impulsa un orden magnético, dando nuevamente un acoplamiento íntimo entre los órdenes ferroeléctrico y, en este caso, antiferromagnético.

Simetría y acoplamiento

La formación de un orden ferroico siempre está asociada a la ruptura de una simetría. Por ejemplo, la simetría de la inversión espacial se rompe cuando los ferroeléctricos desarrollan su momento dipolar eléctrico, y la inversión del tiempo se rompe cuando los ferroimanes se vuelven magnéticos. La ruptura de simetría puede describirse mediante un parámetro de orden, la polarización P y la magnetización M en estos dos ejemplos, y conduce a múltiples estados fundamentales equivalentes que pueden seleccionarse mediante el campo conjugado apropiado; eléctrico o magnético para ferroeléctricos o ferroimanes respectivamente. Esto conduce, por ejemplo, a la conocida conmutación de bits magnéticos mediante campos magnéticos en el almacenamiento de datos magnéticos.

Los ferroicos a menudo se caracterizan por el comportamiento de sus parámetros de orden bajo inversión de espacio y inversión de tiempo (ver tabla). La operación de inversión espacial invierte la dirección de polarización (por lo que el fenómeno de polarización es antisimétrico de inversión espacial) mientras deja invariante la magnetización. Como resultado, los ferroimanes y ferroelásticos no polares son invariantes bajo inversión espacial, mientras que los ferroeléctricos polares no lo son. La operación de inversión del tiempo, por otro lado, cambia el signo de M (que por lo tanto es antisimétrico de inversión del tiempo), mientras que el signo de P permanece invariante. Por lo tanto, los ferroelásticos y ferroeléctricos no magnéticos son invariantes en la inversión del tiempo, mientras que los ferroimanes no lo son.

Los multiferroicos magnetoeléctricos son antisimétricos tanto de inversión espacial como de tiempo, ya que son ferromagnéticos y ferroeléctricos.

La combinación de rupturas de simetría en multiferroicos puede conducir a un acoplamiento entre los parámetros de orden, de modo que una propiedad ferroica pueda manipularse con el campo conjugado de la otra. Los ferroeléctricos ferroelásticos, por ejemplo, son piezoeléctricos , lo que significa que un campo eléctrico puede provocar un cambio de forma o una presión puede inducir un voltaje, y los ferroimanes ferroelásticos muestran un comportamiento piezomagnético análogo . Particularmente atractivo para las tecnologías potenciales es el control del magnetismo con un campo eléctrico en multiferroicos magnetoeléctricos, ya que los campos eléctricos tienen menores requisitos de energía que sus homólogos magnéticos.

Aplicaciones

Control del campo eléctrico del magnetismo.

El principal impulso tecnológico para la exploración de los multiferroicos ha sido su potencial para controlar el magnetismo utilizando campos eléctricos a través de su acoplamiento magnetoeléctrico. Esta capacidad podría ser tecnológicamente transformadora, ya que la producción de campos eléctricos requiere mucha menos energía que la producción de campos magnéticos (que a su vez requieren corrientes eléctricas) que se utilizan en la mayoría de las tecnologías existentes basadas en el magnetismo. Ha habido éxito en el control de la orientación del magnetismo utilizando un campo eléctrico, por ejemplo en heteroestructuras de metales ferromagnéticos convencionales y BiFeO 3 multiferroico , [44] así como en el control del estado magnético , por ejemplo de antiferromagnético a ferromagnético en FeRh. [45]

En películas delgadas multiferroicas, los parámetros de orden magnético y ferroeléctrico acoplados pueden explotarse para desarrollar dispositivos magnetoelectrónicos. Estos incluyen nuevos dispositivos espintrónicos , como sensores de magnetorresistencia de túnel (TMR) y válvulas de giro con funciones sintonizables por campo eléctrico. Un dispositivo TMR típico consta de dos capas de materiales ferromagnéticos separados por una delgada barrera de túnel (~2 nm) hecha de una delgada película multiferroica. [46] En un dispositivo de este tipo, el transporte de espín a través de la barrera se puede ajustar eléctricamente. En otra configuración, se puede utilizar una capa multiferroica como capa de fijación de polarización de intercambio. Si las orientaciones de espín antiferromagnético en la capa de fijación multiferroica se pueden ajustar eléctricamente, entonces la magnetorresistencia del dispositivo se puede controlar mediante el campo eléctrico aplicado. [47] También se pueden explorar múltiples elementos de memoria de estado, donde los datos se almacenan tanto en la polarización eléctrica como en la magnética.

Dispositivos de radio y alta frecuencia.

Se exploran estructuras compuestas multiferroicas en forma masiva para sensores de campo magnético de CA de alta sensibilidad y dispositivos de microondas sintonizables eléctricamente, como filtros, osciladores y desfasadores (en los que la resonancia ferri, ferro o antiferromagnética se sintoniza eléctricamente en lugar de magnéticamente). . [48]

Aplicaciones cruzadas en otras áreas de la física.

Los multiferroicos se han utilizado para abordar cuestiones fundamentales en cosmología y física de partículas. [49] En el primero, el hecho de que un electrón individual sea un multiferroico ideal, con cualquier momento dipolar eléctrico requerido por simetría para adoptar el mismo eje que su momento dipolar magnético, se ha aprovechado para buscar el momento dipolar eléctrico del electrón. . Usando el material multiferroico diseñado (Eu,Ba)TiO 3 , se monitoreó el cambio en el momento magnético neto al cambiar la polarización ferroeléctrica en un campo eléctrico aplicado, lo que permitió extraer un límite superior en el posible valor del momento dipolar eléctrico del electrón. . [50] Esta cantidad es importante porque refleja la cantidad de simetría de inversión del tiempo (y por lo tanto CP) que se rompe en el universo, lo que impone severas restricciones a las teorías de la física de partículas elementales. En un segundo ejemplo, se ha demostrado que la inusual transición de fase ferroeléctrica geométrica impropia en las manganitas hexagonales tiene características de simetría en común con las transiciones de fase tempranas propuestas en el universo. [51] Como resultado, las manganitas hexagonales se pueden utilizar para realizar experimentos en el laboratorio para probar varios aspectos de la física del universo temprano. [52] En particular, se ha verificado un mecanismo propuesto para la formación de cuerdas cósmicas, [52] y se están explorando aspectos de la evolución de las cuerdas cósmicas mediante la observación de sus análogos de intersección de dominios multiferroicos.

Aplicaciones más allá de la magnetoelectricidad

En los últimos años se han identificado otras aplicaciones inesperadas, principalmente en ferrita de bismuto multiferroica, que no parecen estar directamente relacionadas con el magnetismo y la ferroelectricidad acoplados. Estos incluyen un efecto fotovoltaico , [53] fotocatálisis , [54] y comportamiento de detección de gases. [55] Es probable que la combinación de polarización ferroeléctrica, con la pequeña banda prohibida compuesta parcialmente por estados d de metales de transición, sean responsables de estas propiedades favorables.

Se desarrollaron películas multiferroicas con una estructura de banda prohibida adecuada en células solares, lo que da como resultado una alta eficiencia de conversión de energía debido a la eficiente separación de portadoras impulsada por polarización ferroeléctrica y la generación de fotovoltaje con espaciado sobre banda. Se han investigado varias películas y también existe un nuevo enfoque para ajustar eficazmente la banda prohibida del óxido multicapa de perovskita doble mediante la ingeniería del orden de los cationes para Bi2FeCrO6. [56]

Dinámica

Multiferroicidad dinámica

Recientemente se señaló que, de la misma manera que la polarización eléctrica puede generarse mediante un orden magnético que varía espacialmente, el magnetismo puede generarse mediante una polarización que varía temporalmente. El fenómeno resultante se denominó multiferroicidad dinámica . [57] La ​​magnetización, viene dada por

donde está la polarización y el indica el producto vectorial. El formalismo dinámico de multiferroicidad subyace a la siguiente gama diversa de fenómenos: [57]

Procesos dinámicos

El estudio de la dinámica en sistemas multiferroicos se ocupa de comprender la evolución temporal del acoplamiento entre varios órdenes ferroicos , en particular bajo campos aplicados externos. La investigación actual en este campo está motivada tanto por la promesa de nuevos tipos de aplicaciones basadas en la naturaleza acoplada de la dinámica como por la búsqueda de una nueva física que subyace a la comprensión fundamental de las excitaciones elementales de MF. Un número cada vez mayor de estudios de la dinámica de MF se ocupan del acoplamiento entre los parámetros de orden eléctrico y magnético en los multiferroicos magnetoeléctricos. En esta clase de materiales, la investigación líder está explorando, tanto teórica como experimentalmente, los límites fundamentales (por ejemplo, velocidad de acoplamiento intrínseca, fuerza de acoplamiento, síntesis de materiales) del acoplamiento magnetoeléctrico dinámico y cómo estos pueden alcanzarse y explotarse para el desarrollo de nuevas tecnologías.

En el centro de las tecnologías propuestas basadas en el acoplamiento magnetoeléctrico se encuentran los procesos de conmutación, que describen la manipulación de las propiedades magnéticas macroscópicas del material con un campo eléctrico y viceversa. Gran parte de la física de estos procesos se describe mediante la dinámica de dominios y muros de dominio. Un objetivo importante de la investigación actual es la minimización del tiempo de conmutación, desde fracciones de segundo (régimen "cuasi" estático), hacia el rango de nanosegundos y más rápido, siendo este último el tiempo típico necesario para la electrónica moderna, como la siguiente. Dispositivos de memoria de nueva generación.

Los procesos ultrarrápidos que operan a escala de picosegundos, femtosegundos e incluso attosegundos son impulsados ​​y estudiados utilizando métodos ópticos que están a la vanguardia de la ciencia moderna. La física que sustenta las observaciones en estas breves escalas de tiempo se rige por dinámicas de no equilibrio y, por lo general, utiliza procesos resonantes. Una demostración de procesos ultrarrápidos es el cambio del estado antiferromagnético colineal al estado antiferromagnético en espiral en CuO bajo excitación por un pulso láser de 40 fs y 800 nm. [62] Un segundo ejemplo muestra la posibilidad de controlar directamente las ondas de espín con radiación THz en NiO antiferromagnético. [63] Estas son demostraciones prometedoras de cómo la conmutación de propiedades eléctricas y magnéticas en multiferroicos, mediada por el carácter mixto de la dinámica magnetoeléctrica, puede conducir a dispositivos ultrarrápidos de procesamiento de datos, comunicación y computación cuántica.

La investigación actual sobre la dinámica de las MF tiene como objetivo abordar varias preguntas abiertas; la realización práctica y demostración de conmutación de dominio de velocidad ultraalta, el desarrollo de nuevas aplicaciones basadas en dinámica sintonizable, por ejemplo, la dependencia de la frecuencia de las propiedades dieléctricas, la comprensión fundamental del carácter mixto de las excitaciones (por ejemplo, en el caso de ME, fonones mixtos -modos magnónicos – 'electromagnones'), y el posible descubrimiento de nueva física asociada con el acoplamiento MF.

Dominios y muros de dominio

Imagen esquemática de los cuatro posibles estados de dominio de un material ferromagnético ferroeléctrico en el que tanto la polarización (dipolo eléctrico indicado por cargas) como la magnetización (flecha roja) tienen dos orientaciones opuestas. Los dominios están separados por diferentes tipos de muros de dominio, clasificados según los parámetros de orden que cambian a lo largo del muro.

Como cualquier material ferroico, un sistema multiferroico está fragmentado en dominios. Un dominio es una región espacialmente extendida con una dirección y fase constantes de sus parámetros de orden. Los dominios vecinos están separados por regiones de transición llamadas muros de dominio.

Propiedades de los dominios multiferroicos.

A diferencia de los materiales con un solo orden ferroico, los dominios en multiferroicos tienen propiedades y funcionalidades adicionales. Se caracterizan, por ejemplo, por un conjunto de al menos dos parámetros de orden. [64] Los parámetros de orden pueden ser independientes (típicos pero no obligatorios para un multiferroico de Tipo I) o acoplados (obligatorios para un multiferroico de Tipo II).

Muchas propiedades sobresalientes que distinguen los dominios en multiferroicos de aquellos en materiales con un solo orden ferroico son consecuencias del acoplamiento entre los parámetros de orden.

Estas cuestiones dan lugar a novedosas funcionalidades que explican el interés actual por estos materiales.

Propiedades de los muros de dominio multiferroico.

Los muros de dominio son regiones de transición espacialmente extendidas que median la transferencia del parámetro de orden de un dominio a otro. En comparación con los dominios, las paredes de los dominios no son homogéneas y pueden tener una simetría menor. Esto puede modificar las propiedades de un multiferroico y el acoplamiento de sus parámetros de orden. Las paredes del dominio multiferroico pueden mostrar propiedades estáticas [66] y dinámicas [67] particulares .

Las propiedades estáticas se refieren a paredes estacionarias. Pueden resultar de

Síntesis

Las propiedades multiferroicas pueden aparecer en una gran variedad de materiales. Por lo tanto, se utilizan varias rutas de fabricación de materiales convencionales, incluida la síntesis en estado sólido , [69] síntesis hidrotermal , el procesamiento sol-gel , la deposición basada en vacío y la zona flotante .

Algunos tipos de multiferroicos requieren técnicas de procesamiento más especializadas, como

Lista de materiales

La mayoría de los materiales multiferroicos identificados hasta la fecha son óxidos de metales de transición, que son compuestos hechos de metales de transición (generalmente 3d ) con oxígeno y, a menudo, un catión adicional del grupo principal. Los óxidos de metales de transición son una clase favorable de materiales para identificar multiferroicos por varias razones:

Muchos multiferroicos tienen estructura de perovskita . Esto es en parte histórico (la mayoría de los ferroeléctricos bien estudiados son perovskitas) y en parte debido a la alta versatilidad química de la estructura.

A continuación se muestra una lista de algunos de los multiferroicos mejor estudiados con sus temperaturas de orden ferroeléctrico y magnético. Cuando un material muestra más de una transición de fase ferroeléctrica o magnética, se da la más relevante para el comportamiento multiferroico.

Ver también

Reseñas sobre multiferroicos

[56]

Charlas y documentales sobre multiferroicos

Documental de France 24 "Nicola Spaldin: la pionera detrás de la multiferroica" (12 minutos) Nicola Spaldin: la pionera detrás de la multiferroica

Seminario "Control del campo eléctrico del magnetismo" a cargo de R. Ramesh en la Universidad de Michigan (1 hora) Ramamoorthy Ramesh | Control del campo eléctrico del magnetismo.

Premio Max Roessler de multiferroica en ETH Zürich (5 minutos): Nicola Spaldin, profesora de teoría de materiales en ETH Zurich

Coloquio del ICTP "De los materiales a la cosmología; Estudiando el universo temprano bajo el microscopio" por Nicola Spaldin (1 hora) De los materiales a la cosmología: Estudiando el universo temprano bajo el microscopio - COLOQUIO DEL ICTP

Investigación de Tsuyoshi Kimura sobre "Hacia dispositivos altamente funcionales que utilizan multiferroicos" (4 minutos): Hacia dispositivos altamente funcionales que utilizan multiferroicos

"Fuerte correlación entre electricidad y magnetismo en materiales" por Yoshi Tokura (45 minutos): 4to Simposio del Premio Kyoto [Ciencia e ingeniería de materiales Yoshinori Tokura, 2 de julio de 2017]

"Rompiendo el muro hacia la próxima era material", Falling Walls, Berlín (15 minutos): Cómo la ciencia de los materiales presagia una nueva clase de tecnologías | NICOLA ESPALDÍN

Referencias

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