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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 utiliza 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 los arreglos ferroicos de multipolos magnetoeléctricos [2] de los 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 electrónica. [4]

Historia

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

Una búsqueda en Web of Science del término multiferroico arroja como resultado el artículo del año 2000 "¿Por qué hay tan pocos ferroeléctricos magnéticos?" [5] de NA Spaldin (entonces Hill). Este trabajo explicó el origen de la contraindicación entre magnetismo y ferroelectricidad y propuso rutas prácticas para evitarla, y se le atribuye ampliamente el inicio de la explosión moderna de interés en los materiales multiferroicos. [6] La disponibilidad de rutas prácticas para crear materiales multiferroicos a partir de 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 ordenamiento magnético no colineal en TbMnO 3 [8] y TbMn 2 O 5 [9] ortorrómbicos causa ferroelectricidad, y la identificación de una ferroelectricidad impropia inusual que es compatible con la coexistencia del magnetismo en la 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 ubicar a 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 ferroeléctricos 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 efecto magnetoeléctrico correspondiente tienen una historia más larga que los multiferroicos, que se muestra en azul en el gráfico de la derecha. La primera mención conocida de la magnetoelectricidad aparece en la edición de 1959 de la obra de Landau y Lifshitz Electrodynamics of Continuous Media , 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 (análoga a la piezoelectricidad). El otro es un acoplamiento lineal entre campos magnéticos y eléctricos en un medio, que causaría, por ejemplo, una magnetización proporcional a un campo eléctrico. Ambos fenómenos podrían existir para ciertas clases de simetría magnetocristalina. Sin embargo, no analizaremos estos fenómenos con más detalle porque parece que hasta el momento, presumiblemente, no se han observado en ninguna sustancia". Un año después, IE Dzyaloshinskii demostró utilizando argumentos de simetría que el material Cr 2 O 3 debería tener un comportamiento magnetoeléctrico lineal, [11] y su predicción fue verificada rápidamente por D. Astrov. [12] Durante las décadas siguientes, la investigación sobre materiales magnetoeléctricos continuó de forma sostenida en varios grupos de Europa, en particular en la ex 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 Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals (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 de combinación de ferroelectricidad y magnetismo

Para ser definido como ferroeléctrico, un material debe tener una polarización eléctrica espontánea que sea conmutable por un campo eléctrico aplicado. Por lo general, dicha polarización eléctrica surge a través de una distorsión estructural que rompe la simetría de inversión de una fase centrosimétrica original. Por ejemplo, en el titanato de bario ferroeléctrico prototípico, BaTiO 3 , la fase original es la estructura de perovskita ABO 3 cúbica ideal, 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 desplaza lejos del centro del octaedro, lo que provoca una polarización. Tal desplazamiento solo tiende a ser favorable cuando el catión del sitio B tiene una configuración electrónica con una capa d vacía (la denominada configuración d 0 ), que favorece la formación de enlaces covalentes que reducen la energía entre el catión del sitio B y los aniones de oxígeno vecinos. [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 conocen para sortear esta contraindicación entre ferromagnetismo y ferroelectricidad. [14]

Par solitario activo

En 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 llamado par solitario de electrones 6s 2 estereoquímicamente activo, 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 O 2p llenos . [18]

Ferroelectricidad geométrica

En los ferroeléctricos geométricos, la fuerza impulsora de 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 comparta electrones. Estas distorsiones rotacionales se producen 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 ninguna polarización neta; si un octaedro gira hacia la derecha, su vecino conectado gira hacia la izquierda y así sucesivamente. Sin embargo, en materiales estratificados, estas 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 de tierras raras hexagonales (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 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 ~100 K cuando surge un orden antiferromagnético triangular debido a la frustración de espín. [21] [22]

Orden de carga

El ordenamiento de carga puede ocurrir en compuestos que contienen iones de valencia mixta cuando los electrones, que están deslocalizados a alta temperatura, se localizan en un patrón ordenado en diferentes sitios de cationes de modo que el material se vuelve aislante. Cuando el patrón de electrones localizados es polar, el estado de carga ordenada es ferroeléctrico. Por lo general, los iones en tal caso son magnéticos y, por lo tanto, el estado ferroeléctrico también es multiferroico. [23] El primer ejemplo propuesto de un multiferroico de carga ordenada fue LuFe 2 O 4 , que carga órdenes a 330 K con una disposición de iones Fe 2+ y Fe 3+ . [24] El ordenamiento ferrimagnético ocurre por debajo de 240 K. Sin embargo, recientemente se ha cuestionado si el ordenamiento de carga es polar o no. [25] Además, se sugiere ferroelectricidad de carga ordenada en magnetita, Fe 3 O 4 , por debajo de su transición de 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, , se da en términos de la magnetización, , por

.

Al igual que los ferroeléctricos geométricos analizados anteriormente, la ferroelectricidad es inadecuada, 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 espín-órbita débil. Se producen polarizaciones mayores cuando el ordenamiento magnético no centrosimétrico es causado por la interacción de superintercambio más fuerte, como en 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 de electrones f

Si bien la mayoría de los multiferroicos magnetoeléctricos desarrollados hasta la fecha tienen el magnetismo de electrones d de un metal de transición convencional 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 lo deforma un poco [29] o cuando su constante de red se expande, por ejemplo, al sustituir algo de bario en el sitio A. [30]

Compuestos

Sigue siendo un desafío desarrollar buenos multiferroicos monofásicos con gran magnetización y polarización y 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 multiferroicidad. Algunos ejemplos incluyen películas delgadas magnéticas sobre sustratos piezoeléctricos PMN-PT y estructuras tricapa 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 alternando con LuFe 2 O 4 ferromagnético pero no polar en una superred. [33]

Un nuevo enfoque prometedor son las cerámicas de tipo núcleo-capa, 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 campo magnético. Además, se ha observado la conmutación de la magnetización a través del campo eléctrico utilizando MFM. [34] Aquí, los granos de núcleo-capa activos ME consisten en núcleos magnéticos de CoFe 2 O 4 (CFO) y una capa (BiFeO 3 ) 0,6 -(Bi 1/2 K 1/2 TiO 3 ) 0,4 (BFO-BKT) donde el núcleo y la capa tienen una estructura reticular epitaxial. [35] El mecanismo de acoplamiento ME fuerte es 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

Se han descrito grandes acoplamientos magnetoeléctricos a temperatura ambiente en multiferroicos de 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. En este caso, se ha observado un fuerte acoplamiento ME a escala microscópica utilizando PFM bajo campo magnético, entre otras técnicas. [36] [37] Se han descrito multiferroicos híbridos orgánico-inorgánicos en la familia de perovskitas de formiato metálico, [38] así como multiferroicos moleculares como [(CH 3 ) 2 NH 2 ][Ni(HCOO) 3 ], con acoplamiento elástico mediado por deformación entre los parámetros de orden. [39]

Clasificación

Multiferroicos tipo I y tipo II

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

Khomskii propuso el término multiferroico de tipo I para los materiales en los que la ferroelectricidad y el magnetismo se dan a diferentes temperaturas y surgen de diferentes mecanismos. Por lo general, la distorsión estructural que da lugar a la ferroelectricidad se produce a alta temperatura, y el ordenamiento magnético, que suele ser antiferromagnético, se establece a una 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 ordenamiento 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 tipo I muestran una respuesta magnetoeléctrica lineal, así como cambios en la susceptibilidad dieléctrica en la transición de fase magnética.

El término multiferroico de tipo II se utiliza para materiales en los que el ordenamiento magnético rompe la simetría de inversión y "causa" directamente la ferroelectricidad. En este caso, las temperaturas de ordenamiento para los dos fenómenos son idénticas. El ejemplo prototípico es TbMnO 3 , [42] en el que una espiral magnética no centrosimétrica acompañada de una polarización ferroeléctrica se establece a 28 K. Dado que la misma transición causa ambos efectos, están fuertemente acoplados por construcción. 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 ordenamiento de carga a un caso ferroeléctrico polar impulsa un ordenamiento 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 con 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 temporal se rompe cuando los ferroimanes se vuelven magnéticos. La ruptura de la simetría se puede describir mediante un parámetro de orden, la polarización P y la magnetización M en estos dos ejemplos, y conduce a múltiples estados fundamentales equivalentes que se pueden seleccionar mediante el campo conjugado apropiado; eléctrico o magnético para los ferroeléctricos o los ferroimanes respectivamente. Esto conduce, por ejemplo, a la familiar conmutación de bits magnéticos mediante campos magnéticos en el almacenamiento de datos magnéticos.

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

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

La combinación de rupturas de simetría en multiferroicos puede conducir al acoplamiento entre los parámetros de orden, de modo que una propiedad ferroica se puede manipular con el campo conjugado de la otra. Los ferroeléctricos ferroelásticos, por ejemplo, son piezoeléctricos , lo que significa que un campo eléctrico puede causar 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 contrapartes magnéticas.

Aplicaciones

Control del magnetismo mediante campo eléctrico

El principal impulsor tecnológico para la exploración de los multiferroicos ha sido su potencial para controlar el magnetismo utilizando campos eléctricos a través de su acoplamiento magnetoeléctrico. Tal capacidad podría ser tecnológicamente transformadora, ya que la producción de campos eléctricos es mucho menos intensiva en 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. Se han logrado éxitos en el control de la orientación del magnetismo utilizando un campo eléctrico, por ejemplo en heteroestructuras de metales ferromagnéticos convencionales y multiferroicos BiFeO 3 , [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 se pueden explotar para desarrollar dispositivos magnetoelectrónicos. Estos incluyen dispositivos espintrónicos novedosos como sensores de magnetorresistencia de túnel (TMR) y válvulas de espín con funciones ajustables por campo eléctrico. Un dispositivo TMR típico consta de dos capas de materiales ferromagnéticos separadas por una barrera de túnel delgada (~2 nm) hecha de una película delgada 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 antiferromagnéticas 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 elementos de memoria de estado múltiple, donde los datos se almacenan tanto en las polarizaciones eléctricas como magnéticas.

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 la cosmología y la 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 la simetría para adoptar el mismo eje que su momento dipolar magnético, se ha explotado para buscar el momento dipolar eléctrico del electrón. Utilizando 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 valor posible del momento dipolar eléctrico del electrón. [50] Esta cantidad es importante porque refleja la cantidad de ruptura de simetría por inversión temporal (y, por lo tanto, CP) 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 incorrecta en las manganitas hexagonales tiene características de simetría en común con las transiciones de fase propuestas para el universo temprano. [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 a través de 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 acoplado y la ferroelectricidad. Estas incluyen un efecto fotovoltaico , [53] fotocatálisis , [54] y comportamiento de detección de gases. [55] Es probable que la combinación de polarización ferroeléctrica, con el pequeño intervalo de banda compuesto parcialmente por estados d de metales de transición sea responsable de estas propiedades favorables.

Se desarrollaron películas multiferroicas con una estructura de brecha de banda apropiada para celdas solares, lo que da como resultado una alta eficiencia de conversión de energía debido a la eficiente separación de portadores impulsada por polarización ferroeléctrica y la generación de fotovoltaje por espaciado de banda superior. Se han investigado varias películas y también existe un nuevo enfoque para ajustar de manera efectiva la brecha de banda del óxido multicapa de doble perovskita mediante la ingeniería del orden de cationes para Bi2FeCrO6. [56]

Dinámica

Multiferroicidad dinámica

Recientemente se ha señalado que, de la misma manera que la polarización eléctrica puede generarse mediante una variación espacial del orden magnético, el magnetismo puede generarse mediante una polarización que varía temporalmente. El fenómeno resultante se denominó Multiferroicidad dinámica . [57] La ​​magnetización, viene dada por

donde es la polarización y el indica el producto vectorial. El formalismo de multiferroicidad dinámica 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 externos aplicados. La investigación actual en este campo está motivada tanto por la promesa de nuevos tipos de aplicaciones que dependen de la naturaleza acoplada de la dinámica, como por la búsqueda de nueva física que se encuentre en el corazón de la comprensión fundamental de las excitaciones de MF elementales. Un número cada vez mayor de estudios de dinámica de MF se ocupan del acoplamiento entre 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 intrínseco, 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 el campo eléctrico y viceversa. Gran parte de la física de estos procesos se describe mediante la dinámica de los dominios y las paredes de dominio . Un objetivo importante de la investigación actual es la minimización del tiempo de conmutación, desde fracciones de segundo (régimen "cuasiestático") hasta el rango de nanosegundos y más rápido, siendo este último la escala de tiempo típica necesaria para la electrónica moderna, como los dispositivos de memoria de próxima generación.

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

La investigación actual sobre la dinámica MF tiene como objetivo abordar varias cuestiones abiertas: la realización práctica y la demostración de la conmutación de dominio de velocidad ultra alta, el desarrollo de nuevas aplicaciones basadas en la 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 ME, modos mixtos fonón-magnón – 'electromagnones') y el posible descubrimiento de nueva física asociada con el acoplamiento MF.

Dominios y muros de dominio

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

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

Propiedades de los dominios multiferroicos

A diferencia de los materiales con un solo orden ferroico, los dominios en los multiferroicos tienen propiedades y funcionalidades adicionales. Por ejemplo, se caracterizan 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 destacadas que distinguen los dominios de los multiferroicos de aquellos de los materiales con un solo orden ferroico son consecuencias del acoplamiento entre los parámetros de orden.

Estas cuestiones dan lugar a nuevas funcionalidades que explican el interés actual en estos materiales.

Propiedades de las paredes de dominios multiferroicos

Las paredes de dominio son regiones de transición extendidas espacialmente que median la transferencia del parámetro de orden de un dominio a otro. En comparación con los dominios, las paredes de dominio 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 de dominio multiferroicas pueden mostrar propiedades estáticas [66] y dinámicas [67] particulares .

Las propiedades estáticas se refieren a paredes estacionarias y 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, incluidas la síntesis en estado sólido , [69] la 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 formados por 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 algunas razones:

Muchos multiferroicos tienen la estructura de perovskita . Esto se debe en parte a razones históricas (la mayoría de los ferroeléctricos estudiados son perovskitas) y en parte a la gran versatilidad química de la estructura.

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

Véase también

Reseñas sobre multiferroicos

[56]

Charlas y documentales sobre multiferroicos

Documental de France 24 "Nicola Spaldin: el pionero de los multiferroicos" (12 minutos) Nicola Spaldin: el pionero de los multiferroicos

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

Premio Max Roessler de multiferroicos en la ETH de Zúrich (5 minutos): Nicola Spaldin, profesor de teoría de materiales en la ETH de Zúrich

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

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

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

"Rompiendo el muro hacia la siguiente era materialista", Falling Walls, Berlín (15 minutos): Cómo la ciencia de los materiales anuncia una nueva clase de tecnologías | NICOLA SPALDIN

Referencias

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