El acoplamiento de la electricidad y el magnetismo en materiales funcionales: ¿una vieja o joven pareja?

Los fenómenos en los que interviene la interacción electromagnética han despertado la curiosidad humana desde los comienzos de la ciencia.  Ya en el S. VI a.c. los griegos observaron que tras friccionar una resina como el ámbar esta atraía a algunos materiales livianos, y también cómo materiales como el hierro eran atraídos por otros, como es el caso de la magnetita, el imán natural más antiguamente conocido.  Exceptuando el descubrimiento de la brújula, pocos progresos significativos tuvieron lugar hasta comienzos del S. XIX, cuando Christian Oersted advirtió la desviación de una aguja imantada al ser colocada en dirección perpendicular a un conductor eléctrico. Trabajos posteriores de los científicos Ampère y Faraday dieron lugar al desarrollo de una sola teoría para describir los fenómenos eléctricos y magnéticos, mejorada y unificada por Maxwell en 1862 dando lugar a sus famosas ecuaciones.

En medios materiales aparecen fenómenos conocidos como la ferroelectridad y el ferromagnetismo.  Existe un claro paralelismo en el tratamiento formal de ambos, sin embargo, su origen microscópico es muy diferente (¡y además el Fe no tiene por qué estar involucrado en ellos!).  Los materiales en los que ambos fenómenos tienen lugar y se dan la mano son conocidos como materiales multiferroicos.  Por un lado, un material ferroeléctrico es aquel que posee una polarización eléctrica espontánea P, debido al desplazamiento colectivo de cationes y aniones que crean dipolos eléctricos (dos cargas de signo contrario separadas por una cierta distancia). Los dipolos eléctricos del material pueden alinearse y ser controlados por un campo eléctrico externo. La mayoría de ellos son óxidos de metales de transición aislantes, que presentan capas electrónicas d vacías en el metal de transición (región verde figura 1).  Por el contrario, un material magnético requiere de capas electrónicas semi-llenas (región morada figura 1) que dotan al material de una imanación neta M.  El alineamiento de los momentos magnéticos de espín puede redirigirse mediante campos magnéticos.

A pesar de que a priori ambos fenómenos aparenten ser excluyentes, hay casos en los que los grados de libertad eléctricos y magnéticos están acoplados. En tales materiales es posible controlar su respuesta eléctrica (P) y magnética (M) mediante campos magnéticos y eléctricos respectivamente y se dice que presentan acoplamiento magnetoeléctrico lineal (región azul en la figura 1).   El físico Pierre Curie fue el primero en predecir teóricamente el efecto magnetoeléctrico en medios materiales en 1894, pero no fue hasta 1960 cuando su conjetura fue demostrada experimentalmente por Astrov, que detectó por primera vez el efecto magnetoeléctrico en el óxido de Cromo, Cr₂O₃.  Con el objetivo de explotar las llamativas propiedades de estos materiales, a partir de la década de los 60 se han intentado buscar compuestos donde no sólo haya acoplamiento entre sus respuestas a campos externos, sino que además los ordenamientos ferroeléctrico y ferromagnético tengan lugar de manera espontánea.

Fig. 1. La unión de los ferroeléctricos (FE)  y los materiales magnéticamente ordenados son los multiferroicos (MF). Aquellos que además presentan acoplamiento magnetoeléctrico (ME) son multiferroicos magnetoeléctricos.

La simetría juega un papel fundamental en la aparición de un estado multiferroico. En un principio, se podría pensar que los multiferroicos son aquellos materiales cuyas propiedades físicas, estructurales y electrónicas, sean la suma de las de un material ferroeléctrico y un material magnético. Atendiendo a su simetría, encontramos 31 grupos magnéticos o de Shubnikov que permiten la polarización espontánea y otros 31 en los que es posible tener magnetización espontánea. De la intersección de ambos se obtienen 13 grupos. Sin embargo, dentro de estas 13 simetrías, se encuentran materiales que no son multiferroicos magnetoeléctricos.  En definitiva, el multiferroismo entraña varios factores competitivos bastante sutiles y entre otras muchas causas, las cuestiones clave que se plantean para entender la aparición del multiferroísmo es cómo es posible que el ordenamiento magnético provoque la ferroelectricidad y cuál es el papel de la frustración magnética en todo ello.

Desde las últimas dos décadas, el estudio y la búsqueda de materiales multiferroicos está siendo una de las cuestiones más atrayentes y desafiantes en física de la materia condensada [2].  El resurgimiento del estudio de estos materiales se explica por varios motivos: estos materiales son muy interesantes desde el punto de vista de la investigación fundamental, dado que los mecanismos por los que surge la multiferroicidad no se han esclarecido de una forma sistemática hasta el momento; por otro lado, abren un nuevo abanico de aplicaciones en espintrónica y almacenamiento magnetoeléctrico de la información. En particular, además de aunar las aplicaciones que tienen los materiales ferromagnéticos (como el almacenamiento de información en regiones de polarización magnética opuesta) y ferroeléctricos (como sensores, memorias RAM), los multiferroicos magnetoeléctricos ofrecen la posibilidad de diseñar memorias magnetoeléctricas. Este es el caso del BiFeO₃, que es multiferroico a temperatura ambiente y permite la manipulación de su imanación mediante campos eléctricos, lo cual representa un paso fundamental en el control magnetoeléctrico de dispositivos en espintrónica [3]. Otras vías de investigación promueven la creación de dispositivos con cuatro estados lógicos (dos magnéticos y dos eléctricos), como es el caso de las uniones túnel en películas delgadas de La_0.1Bi_0.9MnO₃ [4].

A pesar de que pueda parecer relativamente sencillo encontrar materiales con propiedades magnetoeléctricas acopladas, estamos aún lejos de dar con el multiferroico perfecto. La explicación podemos encontrarla en los dos multiferroicos más estudiados hasta el momento, que son el BiFeO₃ y el TbMnO₃ [5].  El punto a favor del primero es que presenta acoplamiento magnetoeléctrico a temperatura ambiente y el valor de polarización eléctrica es comparable al de un ferroeléctrico estándar.  Sin embargo, su imanación es muy débil, así que el punto flaco se encuentra en sus propiedades magnéticas.  El TbMnO₃ al contrario presenta una buena respuesta magnética, pero a muy bajas temperaturas, y su polarización eléctrica es muy débil.  Es por ello que las últimas investigaciones apuntan hacia la aplicación de estímulos externos para tratar de mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas y trasladarlas a temperatura ambiente.  Y todo ello se consigue gracias al constante avance en el control de parámetros como la presión o la tensión epitaxial en el caso de la fabricación de películas delgadas.  Por ejemplo, trabajos muy recientes en el TbMnO₃ muestran una notable mejoría en sus propiedades eléctricas, bien al aplicar presión por encima de 4 GPa [6], o bien al ajustar la tensión epitaxial en la fabricación de películas delgadas [7].

La obtención de materiales multiferroicos en condiciones ambiente resulta muy interesante para aplicaciones tecnológicas. Por un lado, los materiales ferromagnéticos son el ingrediente básico en tecnología de sensores o en dispositivos de almacenamiento de información, como los discos duros que hay en nuestros ordenadores.  Por otra parte, los materiales ferroeléctricos suelen usarse en sistemas que puedan generar o detectar pequeñas deformaciones mecánicas, como los altavoces y los sensores de presión.  La utilidad más clara del acoplamiento de ambos fenómenos se manifiesta en el campo de la espintrónica, concretamente en la utilización de elementos de memoria multiferroicos, donde puede utilizarse un pulso de voltaje para controlar su estado ferroeléctrico (polarización eléctrica) y al mismo tiempo, a través un acoplamiento interno magnetoeléctrico, activar un estado de memoria ferromagnético que representa un bit de memoria.  La ventaja reside en utilizar pulsos de voltaje en lugar de corrientes eléctricas para controlar el estado de la memoria, ya que estos pulsos se transmiten más rápidamente y consumen menos potencia, lo cual evita tanto problemas de recalentamiento como de limitaciones en el tiempo de procesamiento de la información.

La investigación en el campo de los materiales magnetoeléctricos es y seguirá siendo en los próximos años un gran reto para la comunidad científica.  Gracias al mayor control en la fabricación de materiales y en la aplicación de estímulos externos como los campos magnéticos o la presión, esperamos que llegue el día en el que podamos dominar de manera precisa al viejo, ¡pero todavía fresco!, tándem magnetoeléctrico.

Texto de Vera Cuartero, investigadora en el European Synchrotron Radiation Facility de Grenoble. 

[1] D. N. Astrov, Sov. Phy. JETP 10, 708 (1960)

[2] N. A. Spaldin and M. Fiebig, Science 309, 391 (2005). N. A. Spaldin, S. W. Cheong and R. Ramesh, Phys. Today 63, 38 (2010).

[3] M. Bibes and A. Barthélémy, Nature Mat. 7, 425 (2008)

[4] M. Gajek, M. Bibes, S. Fusil, K. Bouzehouane, J. Fontcuberta, A. Barthélémy and A. Fert, Nature Mat. 6, 296 (2007).

[5] T. Kimura, T. Goto, H. Shintani, K. Ishizka, T. Arima and Y. Tokura. Nature (London) 426,  55 (2003).

[6] T. Aoyama et al., “Giant spin-driven ferroelectric polarization in TbMnO₃ under high pressure” Nature Comm. 5, 4927 (2014).

[7] K. Shimamoto et al., “Tuning the multiferroic mechanisms of TbMnO₃ by epitaxial strain” Scientific Reports 7, 44753 (2017).