Los multiferroicos se definen como materiales que exhiben más de una de las propiedades ferroicas primarias en la misma fase: [1]
- ferromagnetismo : una magnetización que se puede conmutar mediante un campo magnético aplicado
- ferroelectricidad : una polarización eléctrica que se puede conmutar mediante un campo eléctrico aplicado
- ferroelasticidad : una deformación que se puede cambiar mediante una tensión aplicada
Si bien los ferrolasticos ferroeléctricos y 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 antiferromagnetismo o ferrimagnetismo . Además, recientemente también se han propuesto otros tipos de orden primario, como las disposiciones ferroicas de los multipolos magneotelectricos [2], de los cuales la ferrotoroidicidad [3] es un ejemplo.
Además del interés científico en sus propiedades físicas, los multiferroics tienen potencial para aplicaciones como actuadores, interruptores, sensores de campo magnético y nuevos tipos de dispositivos de memoria electrónica. [4]
Historia
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Una búsqueda en Web of Science del término multiferroico produce el artículo del año 2000 "¿Por qué hay tan pocos ferroeléctricos magnéticos?" [5] de NA Spaldin (entonces Hill) como el primer resultado. Este trabajo explicó el origen de la contraindicación entre el magnetismo y la ferroelectricidad y propuso rutas prácticas para sortearlo, y se le atribuye ampliamente el inicio de la explosión moderna del interés por los materiales multiferroicos. [6] La disponibilidad de rutas prácticas para crear materiales multiferroicos a partir de 2000 [5] estimuló una intensa actividad. Particularmente los primeros trabajos clave fueron el descubrimiento de gran polarización ferroeléctrica en películas delgadas de BiFeO 3 magnético crecidas 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 sea 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 multiferroics de una búsqueda en Web of Science hasta 2008; el aumento exponencial continúa hoy.
Materiales magnetoeléctricos
Para ubicar 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 ferroeléctricos ferromagnéticos son magnetoeléctricos lineales, con un campo eléctrico aplicado que 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 muestran en azul en el gráfico de la derecha. La primera mención conocida de magnetoelectricidad se encuentra en la edición de 1959 de Electrodynamics of Continuous Media de Landau & 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 (análoga 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 presente, presumiblemente, no se han observado en ninguna sustancia ". Un año después, IE Dzyaloshinskii demostró usando 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 de Europa, en particular en la ex Unión Soviética y en el grupo de H. Schmid en la U. de Ginebra. Una serie de conferencias Este-Oeste titulada Fenómenos de Interacción Magnetoeléctrica en Cristales (MEIPIC) se llevó a cabo entre 1973 (en Seattle) y 2009 (en Santa Bárbara) , y de hecho el término "magnetoeléctrico ferroico múltiple" 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, tal polarización eléctrica surge a través de una distorsión estructural que rompe la simetría de inversión a partir de una fase centrosimétrica principal. Por ejemplo, en el titanato de bario ferroeléctrico prototípico , BaTiO 3 , la fase madre es la estructura cúbica ideal de perovskita 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 ión Ti 4+ se aleja del centro del octaedro provocando una polarización. Tal desplazamiento solo tiende a ser favorable cuando el catión del sitio B tiene una configuración electrónica con una capa d vacía (una configuración denominada 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 "D0-dad" requisito [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 parcialmente llenos de metales de transición d conchas. Como resultado, en la mayoría de los multiferroicos, la ferroelectricidad tiene un origen diferente. A continuación se describen los mecanismos que se conocen para eludir esta contraindicación entre ferromagnetismo y ferroelectricidad. [14]
Par solitario activo
En multiferroics activos de par solitario, [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 solitario de electrones llamado estereoquímicamente activo 6s 2 , y el descentrado del catión del sitio A se ve favorecido por un intercambio de electrones que reducen 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 una formación de enlaces covalentes que comparten electrones. Tales 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 una polarización neta; si un octaedro gira a la derecha, su vecino conectado gira a la izquierda y así sucesivamente. En materiales estratificados, sin embargo, 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 1000K y una transición magnética a un estado antiferromagnético alrededor de 50K. [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 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 ~ 6µC / cm². Dado que la ferroelectricidad no es el parámetro de orden principal, se describe como incorrecta . La fase multiferroica se alcanza a ~ 100 K cuando surge un orden antiferromagnético triangular debido a la frustración del giro. [21] [22]
Pedido de carga
El orden 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 una carga multiferroica ordenada fue LuFe 2 O 4 , que carga órdenes a 330 K con una disposición de iones Fe 2+ y Fe 3+ . [24] Sin embargo, recientemente se ha cuestionado si el orden ferrimagnético ocurre por debajo de 240 K. Si el orden 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 multiferroics 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 magnetización, , por
.
Al igual que los ferroeléctricos geométricos discutidos anteriormente, la ferroelectricidad es incorrecta, 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 28K 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 de espín-órbita. Las polarizaciones más grandes ocurren cuando el orden magnético no centrosimétrico es causado por la interacción de superecambio 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 de electrones f
Si bien la mayoría de los multiferroicos magnetoeléctricos desarrollados hasta la fecha tienen magnetismo convencional de electrones d de metales de transición 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 usar un ion de tierras raras con una capa parcialmente llena de electrones f en el sitio A. Un ejemplo es EuTiO 3 que, aunque no es ferroeléctrico en condiciones ambientales, se vuelve así 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 multiferroics 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 de PMN-PT piezoeléctricos y estructuras de tres capas 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 alternando con LuFe 2 O 4 ferrimagnético pero no polar en una superrejilla . [33]
Otro
Ha habido informes de un gran acoplamiento magnetoeléctrico a temperatura ambiente en multiferroics 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 determinadas fases de Aurivillius y 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). Aquí, se ha observado un fuerte acoplamiento ME a escala microscópica utilizando PFM bajo campo magnético, entre otras técnicas. [34] [35] [36] Este último sistema, parece ser el primer sistema de relajación o multiferroico ferroeléctrico ferroeléctrico de tipo núcleo-capa , donde se propone que la estructura magnética en los llamados "cúmulos multiferroicos" se debe al ferrimagnetismo Fe-Co, que puede ser conmutada por un campo eléctrico. Se han reportado multiferroics híbridos orgánicos-inorgánicos en la familia de perovskitas de formiato metálico, [37] así como multiferroics moleculares como [(CH 3 ) 2 NH 2 ] [Ni (HCOO) 3 ], con acoplamiento elástico mediado por deformación entre los parámetros de la orden. [38]
Clasificación
Multiferroics 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 tipo II. [39]
Khomskii sugirió el término multiferroico de tipo I para materiales en los que la ferroelectricidad y el magnetismo ocurren 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 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 superecambio habitual. YMnO 3 [40] (T C = 914 K, T N = 76 K) también es de tipo I, aunque su ferroelectricidad se denomina "inadecuada", lo que significa que es un efecto secundario que surge de otra distorsión estructural (primaria) . El surgimiento independiente del magnetismo y la ferroelectricidad significa que los dominios de las dos propiedades pueden existir independientemente el 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 de 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 pedido para los dos fenómenos son idénticas. El ejemplo prototípico es TbMnO 3 , [41] en el que una espiral magnética no centrosimétrica acompañada de una polarización ferroeléctrica se establece en 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 . [39] También se ha informado del efecto contrario, en la sal de transferencia de carga aislante Mott κndash; (BEDT-TTF) 2Cu [N (CN)
2] Cl . [42] Aquí, una transición de ordenamiento de carga a una caja ferroeléctrica 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 del tiempo 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 pueden seleccionarse mediante el campo conjugado apropiado; eléctricos o magnéticos 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 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 de inversión espacial) mientras deja invariante la magnetización. Como resultado, los ferroimanes no polares y los ferroelásticos son invariantes bajo inversión espacial, mientras que los ferroeléctricos polares no lo son. La operación de inversión de tiempo, por otro lado, cambia el signo de M (que por lo tanto es antisimétrico de inversión de tiempo), mientras que el signo de P permanece invariante. Por lo tanto, los ferroelásticos y ferroeléctricos no magnéticos son invariantes bajo la inversión del tiempo, mientras que los ferroimanes no lo son.
Simétrica de inversión espacial | Antisimétrico de inversión espacial | |
Simétrico de inversión de tiempo | Ferroelástico | Ferroeléctrico |
Antisimétrico de inversión de tiempo | Ferromagnético | Multiferroico magnetoeléctrico |
Los multiferroicos magnetoeléctricos son antisimétricos de inversión espacial y temporal, ya que son ferromagnéticos y ferroeléctricos.
La combinación de rupturas de simetría en multiferroics 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 el comportamiento piezomagnético análogo . Particularmente atractivo para las tecnologías potenciales es el control del magnetismo con un campo eléctrico en multiferroics magnetoeléctricos, ya que los campos eléctricos tienen menores requerimientos de energía que sus contrapartes magnéticas.
Aplicaciones
Control de campo eléctrico del magnetismo
El principal impulsor tecnológico para la exploración de multiferroics 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 consume 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 éxitos en el control de la orientación del magnetismo utilizando un campo eléctrico, por ejemplo en heteroestructuras de metales ferromagnéticos convencionales y BiFeO 3 multiferroico , [43] así como en el control del estado magnético , por ejemplo de antiferromagnético a ferromagnético en FeRh. [44]
En películas delgadas multiferroicas, los parámetros de orden magnético y ferroeléctrico acoplados se pueden aprovechar para desarrollar dispositivos magnetoelectrónicos. Estos incluyen dispositivos espintrónicos novedosos como sensores de magnetorresistencia de túnel (TMR) y válvulas de giro con funciones sintonizables de campo eléctrico. Un dispositivo TMR típico consta de dos capas de materiales ferromagnéticos separados por una barrera de túnel delgada (~ 2 nm) hecha de una película delgada multiferroica. [45] En tal dispositivo, el transporte de giro 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 clavijas multiferroicas pueden ajustarse eléctricamente, entonces la magnetorresistencia del dispositivo puede controlarse mediante el campo eléctrico aplicado. [46] También se pueden explorar múltiples elementos de memoria de estado, donde los datos se almacenan tanto en polarizaciones eléctricas como magnéticas.
Dispositivos de radio y alta frecuencia
Se exploran estructuras compuestas multiferroicas a granel 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 antiferro-magnética se sintoniza eléctricamente en lugar de magnéticamente) . [47]
Aplicaciones cruzadas en otras áreas de la física
Se han utilizado multifferroics para abordar cuestiones fundamentales en cosmología y física de partículas. [48] En el primero, el hecho de que un electrón individual es 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. . Utilizando el material multiferroico diseñado (Eu, Ba) TiO
3, se controló el cambio en el momento magnético neto al conmutar la polarización ferroeléctrica en un campo eléctrico aplicado, lo que permitió extraer un límite superior del posible valor del momento dipolar eléctrico del electrón. [49] Esta cantidad es importante porque refleja la cantidad de simetría de inversión en el 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 transición de fase ferroeléctrica geométrica impropia inusual en las manganitas hexagonales tiene características de simetría en común con las transiciones de fase del universo temprano propuestas. [50] Como resultado, las manganitas hexagonales se pueden usar para realizar experimentos en el laboratorio para probar varios aspectos de la física del universo temprano. [51] En particular, se ha verificado un mecanismo propuesto para la formación de cuerdas cósmicas, [51] 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. Estos incluyen un efecto fotovoltaico , [52] fotocatálisis , [53] y comportamiento de detección de gas. [54] Es probable que la combinación de polarización ferroeléctrica, con la pequeña banda prohibida compuesta parcialmente de estados d de metales de transición sean responsables de estas propiedades favorables.
Dinámica
Multiferroicidad dinámica
Recientemente se señaló que, de la misma manera que la polarización eléctrica puede generarse mediante un orden magnético variable espacialmente, el magnetismo puede generarse mediante una polarización variable temporalmente. El fenómeno resultante se denominó Multiferroicidad dinámica . [55] La magnetización, es dado por
dónde es la polarización y la indica el producto vectorial. El formalismo de multiferroicidad dinámica subyace a la siguiente gama diversa de fenómenos: [55]
- El efecto Phonon Zeeman, en el que los fonones de polarización circular opuesta tienen diferentes energías en un campo magnético. Este fenómeno aguarda una verificación experimental.
- Excitación magnón resonante por fonones accionados ópticamente. [56]
- Electromagnones de tipo Dzylaoshinskii-Moriya. [57]
- El efecto Faraday inverso. [58]
- Sabores exóticos de criticidad cuántica. [59]
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 en campos de aplicación externa. La investigación actual en este campo está motivada tanto por la promesa de nuevos tipos de aplicación que dependen de la naturaleza acoplada de la dinámica, como por la búsqueda de nueva física que se encuentra en el corazón de la comprensión fundamental de las excitaciones elementales de MF. Un número cada vez mayor de estudios de la dinámica de MF se ocupa 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 ser alcanzados y explotados para el desarrollo de nuevas tecnologías.
En el corazón 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 los dominios . 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 la escala de tiempo típica necesaria para la electrónica moderna, como la siguiente dispositivos de memoria de 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 se rige por la dinámica de no equilibrio y, por lo general, hace uso de procesos resonantes. Una demostración de los procesos ultrarrápidos es el cambio del estado antiferromagnético colineal al estado antiferromagnético en espiral en CuO bajo excitación por pulso láser de 40 fs 800 nm. [60] Un segundo ejemplo muestra la posibilidad del control directo de ondas de espín con radiación THz sobre NiO antiferromagnético. [61] Estas son demostraciones prometedoras de cómo la conmutación de propiedades eléctricas y magnéticas en multiferroics, 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 MF tiene como objetivo abordar varias cuestiones abiertas; la realización práctica y la demostración de la conmutación de dominio de ultra alta velocidad, el desarrollo de nuevas aplicaciones adicionales 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, fonón mixto -modos magnon - 'electromagnones'), y el descubrimiento potencial de nueva física asociada con el acoplamiento MF.
Dominios y muros de dominio
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Como cualquier material ferroico, un sistema multiferroico se fragmenta 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 paredes 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. Por ejemplo, se caracterizan por un conjunto de al menos dos parámetros de orden. [62] 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 dominios en multiferroicos de aquellos en materiales con un solo orden ferroico son consecuencias del acoplamiento entre los parámetros de orden.
- El acoplamiento puede conducir a patrones con una distribución y / o topología de dominios que es exclusiva de multiferroics.
- El acoplamiento orden-parámetro suele ser homogéneo en un dominio, es decir, los efectos del gradiente son insignificantes.
- En algunos casos, el valor neto promedio del parámetro de orden para un patrón de dominio es más relevante para el acoplamiento que el valor del parámetro de orden de un dominio individual. [63]
Estos problemas conducen a funcionalidades novedosas que explican el interés actual por estos materiales.
Propiedades de las paredes de dominio multiferroico
Las paredes 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 del 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 del dominio multifferroico pueden mostrar propiedades estáticas [64] y dinámicas [65] particulares .
Las propiedades estáticas se refieren a paredes estacionarias. Pueden resultar de
- La dimensionalidad reducida
- El ancho finito de la pared.
- La diferente simetría de la pared.
- La inhomogeneidad química, electrónica o de parámetros de orden inherente dentro de las paredes y los efectos de gradiente resultantes. [66]
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 , [67] síntesis hidrotermal , procesamiento sol-gel , deposición basada en vacío y zona flotante .
Algunos tipos de multiferroicos requieren técnicas de procesamiento más especializadas, como
- Deposición basada en vacío (por ejemplo: MBE , PLD ) para la deposición de película delgada para aprovechar ciertas ventajas que pueden venir con estructuras en capas bidimensionales tales como: multiferroics mediados por deformación, heteroestructuras, anisotropía.
- Síntesis en estado sólido a alta presión para estabilizar estructuras metaestables o altamente distorsionadas, o en el caso de los multiferroicos de base Bi debido a la alta volatilidad del bismuto.
Lista de materiales
La mayoría de los materiales multiferroicos identificados hasta la fecha son óxidos de metales de transición, que son compuestos hechos de (generalmente 3d ) metales de transición con oxígeno y, a menudo, un catión del grupo principal adicional. Los óxidos de metales de transición son una clase favorable de materiales para identificar multiferroics por algunas razones:
- Los electrones 3d localizados en el metal de transición suelen ser magnéticos si están parcialmente llenos de electrones.
- El oxígeno se encuentra en un "punto óptimo" en la tabla periódica porque los enlaces que hace con los metales de transición no son ni demasiado iónicos (como su vecino flúor, F) ni demasiado covalentes (como su vecino nitrógeno, N). Como resultado, sus enlaces con metales de transición son bastante polarizables, lo que favorece la ferroelectricidad.
- Los metales de transición y el oxígeno tienden a ser abundantes en la tierra, no tóxicos, estables y benignos para el medio ambiente.
Muchos multiferroicos tienen la 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 multiferroics mejor estudiados con sus temperaturas de ordenación ferroeléctrica y magnética. Cuando un material muestra más de una transición de fase ferroeléctrica o magnética, se da la más relevante para el comportamiento multiferroico.
Material | Ferroeléctrico T C [K] | magnético T N o T C [K] | Tipo de ferroelectricidad |
---|---|---|---|
BiFeO 3 | 1100 | 653 | único par |
h-YMnO 3 | 920 [68] [69] | 80 | geométrico (inadecuado) |
BaNiF 4 | geométrico (propio) | ||
PbVO 3 | único par | ||
BiMnO 3 | único par | ||
LuFe 2 O 4 | cargo ordenado | ||
HoMn 2 O 5 | 39 [70] | impulsado magnéticamente | |
h-HoMnO 3 | 873 [69] | 76 | geométrico (inadecuado) |
h-ScMnO 3 | 129 [69] | geométrico (inadecuado) | |
h-ErMnO 3 | 833 [69] | 80 | geométrico (inadecuado) |
h-TmMnO 3 | > 573 [69] | 86 | geométrico (inadecuado) |
h-YbMnO 3 | 993 [69] | 87 | geométrico (inadecuado) |
h-LuMnO 3 | > 750 [69] | 96 | geométrico (inadecuado) |
K 2 SeO 4 | geométrico | ||
Cs 2 CdI 4 | geométrico | ||
TbMnO 3 | 27 | 42 [71] | impulsado magnéticamente |
Ni 3 V 2 O 8 | 6,5 [72] | ||
MnWO 4 | 13,5 [73] | impulsado magnéticamente | |
CuO | 230 [74] | 230 | impulsado magnéticamente |
ZnCr 2 Se 4 | 110 [75] | 20 | |
LiCu 2 O 2 | [76] | ||
Ni 3 B 7 O 13 I | [77] |
Ver también
- Ferrotoroidicidad
Reseñas sobre Multiferroics
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Charlas y documentales sobre multiferroics
Documental de France 24 "Nicola Spaldin: el pionero de la multiferroica" (12 minutos) https://www.youtube.com/watch?v=bfVKtIcl2Nk&t=10s
Seminario "Control de campo eléctrico del magnetismo" por R. Ramesh en U Michigan (1 hora) https://www.youtube.com/watch?v=dTpr9CEYP6M
Premio Max Roessler de multiferroics en ETH Zürich (5 minutos): https://www.youtube.com/watch?v=Nq0j6xrNcLk
Coloquio del ICTP "De los materiales a la cosmología; Estudio del universo temprano bajo el microscopio" por Nicola Spaldin (1 hora) https://www.youtube.com/watch?v=CYHB0BZQU-U
Investigación de Tsuyoshi Kimura sobre "Hacia dispositivos altamente funcionales usando mulitferroics" (4 minutos): https://www.youtube.com/watch?v=_KfySbeVO4M
"Fuerte correlación entre la electricidad y el magnetismo en los materiales" por Yoshi Tokura (45 minutos): https://www.youtube.com/watch?v=i6tcSXbEELE
"Rompiendo el muro hacia la próxima era material", Falling Walls, Berlín (15 minutos): https://www.youtube.com/watch?v=pirXBfwni-w
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