Polarizabilidad Magnetoeléctrica: Una visión general

Es un concepto clave en el campo moderno de la ciencia de los materiales, y explica la capacidad de ciertos materiales para acoplar respuestas eléctricas y magnéticas dentro de una misma estructura. Esto implica que un campo eléctrico aplicado afectaría al estado magnético del material y, a la inversa, la polarización eléctrica se ve afectada por un campo magnético. Dado que en la mayoría de los materiales la electricidad y el magnetismo se tratan como propiedades independientes, la capacidad de sintonizar una utilizando la otra abre muchas perspectivas para las tecnologías emergentes, sobre todo las que requieren un control preciso con un consumo de energía muy bajo.

A nivel microscópico, la polarizabilidad magnetoeléctrica tiene su origen en las interacciones de dipolos eléctricos con momentos magnéticos. Las interacciones son estructuradas y direccionales, y la fuerza del acoplamiento se describe mediante el tensor magnetoeléctrico. Este tensor capta la magnitud y la dirección de la respuesta de un material y, por tanto, proporciona a los científicos una forma cuantitativa de seleccionar materiales para aplicaciones relacionadas con el almacenamiento de memoria, la detección y los dispositivos espintrónicos.

Ecuación clave

Una expresión comúnmente utilizada para describir el comportamiento magnetoeléctrico es la siguiente

P = χe ε0 E + α H

En esta ecuación

- P es la polarización eléctrica,

- χₑ es la susceptibilidad eléctrica,

- ε₀ es la permitividad del vacío,

- E representa el campo eléctrico aplicado.

- α es el coeficiente de acoplamiento magnetoeléctrico,

- H es la intensidad del campo magnético.

El término con αH representa el efecto magnetoeléctrico: el campo magnético aplicado, además, provoca polarización eléctrica. Los materiales con un α más alto presentan un acoplamiento cruzado más fuerte y, por lo tanto, son de mayor interés para la ingeniería de dispositivos avanzados.

Historia y desarrollo de la investigación magnetoeléctrica

Aunque la conexión entre electricidad y magnetismo se conoce desde el siglo XIX, no fue hasta mediados del siglo XX cuando se empezó a investigar en materiales que presentaran un efecto magnetoeléctrico lineal directo. Landau y Lifshitz proporcionaron la base teórica en 1959 para indicar que ciertas simetrías de los cristales permitirían el acoplamiento cruzado entre los campos eléctrico y magnético. Por último, Dzyaloshinskii confirmó experimentalmente en 1960 la predicción del efecto en el Cr₂O₃, y Rado y Folen lo observaron poco después.

Este avance desencadenó una oleada de actividad en la búsqueda de respuestas magnetoeléctricas nuevas, más potentes y sintonizables. A lo largo de las décadas de 1980 y 1990, la investigación fue más allá de los óxidos antiferromagnéticos simples para incluir estudios sobre perovskitas complejas, manganitas de tierras raras y compuestos estratificados. Fue a principios de la década de 2000 cuando se redescubrieron los materiales multiferroicos, como el BiFeO₃, que presentan un ordenamiento magnético y ferroeléctrico colineal. Estos multiferroicos ampliaron drásticamente las posibilidades de aplicaciones a temperatura ambiente.

Los dispositivos de bajo consumo energético, la computación neuromórfica, los actuadores a nanoescala y las nuevas arquitecturas espintrónicas impulsan hoy la investigación magnetoeléctrica. Los últimos avances se refieren a materiales topológicos, heteroestructuras artificiales y láminas delgadas diseñadas a partir de la deformación que presentan comportamientos magnetoeléctricos aún más exóticos. Lo que empezó como una curiosidad teórica se ha convertido en un tema central de la física de la materia condensada y la electrónica de nueva generación.

Magnetoeléctrico frente a electromagnético: La diferencia

El efecto magnetoeléctrico se ha confundido a menudo con los fenómenos electromagnéticos generales, pero ambos se distinguen claramente de forma significativa. El electromagnetismo describe el modo en que los campos eléctricos y magnéticos se influyen mutuamente en el espacio, según las ecuaciones de Maxwell. El acoplamiento entre campos eléctricos y magnéticos cambiantes es universal y se produce en todos los medios, incluido el espacio vacío.

Aunque el comportamiento magnetoeléctrico es una propiedad relativa a los materiales, dicha magnetoelectricidad sólo se produce en los sólidos, donde los órdenes eléctrico y magnético coexisten o interactúan a través de la red cristalina. En este caso, el acoplamiento no es consecuencia de una ley de la naturaleza, sino de la ruptura de la simetría, las interacciones espín-órbita o las distorsiones de la red. En otras palabras, todos los materiales obedecen las leyes del electromagnetismo, pero sólo unos pocos poseen un acoplamiento magnetoeléctrico intrínseco.

Se trata de una diferencia esencial que entra en juego en las aplicaciones. Aunque las ondas electromagnéticas establecen campos en el aire o el vacío, la polarizabilidad magnetoeléctrica permite a los ingenieros manipular las propiedades de los materiales: por ejemplo, cambiar la magnetización con tensión en lugar de corriente. El magnetismo controlado por tensión reduce enormemente el consumo de energía, razón principal de la integración de materiales magnetoeléctricos en dispositivos lógicos y de memoria de bajo consumo.

Ejemplos de materiales magnetoeléctricos

Varios materiales estudiados en detalle presentan una fuerte polarizabilidad magnetoeléctrica:

• Cr₂O₃ (óxido de cromo ) - El material magnetoeléctrico original, estable y antiferromagnético.
• BiFeO₃ es un multiferroico a temperatura ambiente con coexistencia de orden ferroeléctrico y antiferromagnético.
• El TbMnO3 es una manganita de terbio que presenta estructuras magnéticas complejas, dando lugar a interacciones magnetoeléctricas sintonizables.

Para más información sobre materiales magnetoeléctricos, visite Materiales Avanzados de Stanford en SAM.

Aplicaciones de la polarizabilidad magnetoeléctrica

El valor de los materiales magnetoeléctricos radica en la gran variedad de tecnologías que permite el acoplamiento directo entre las respuestas eléctricas y magnéticas. La detección y el accionamiento se basan en el control extremadamente sensible del estado magnético a través de campos eléctricos para detectar campos o movimientos mecánicos. La memoria no volátil emplea la escritura magnetoeléctrica como sustituto del almacenamiento mediante campos magnéticos, reduciendo potencialmente el consumo de energía con una retención constante de la información. Los materiales magnetoeléctricos en espintrónica permiten básicamente manipular el transporte de espines con voltaje en lugar de corriente, lo que ayuda a mejorar la eficiencia y reducir la disipación de calor.

Con la reducción de las arquitecturas de los dispositivos y el aumento de las exigencias de eficiencia, los materiales con un fuerte acoplamiento magnetoeléctrico se han convertido en parte integrante de los sistemas electrónicos de próxima generación.

Preguntas más frecuentes

¿Qué es la polarizabilidad magnetoeléctrica?

Es la propiedad de ciertos materiales que permite que los campos eléctricos induzcan polarización magnética y que los campos magnéticos induzcan polarización eléctrica.

¿Por qué es importante la polarizabilidad magnetoeléctrica?

Las aplicaciones implican el control del estado magnético de baja energía, que es bastante esencial en sensores, dispositivos de memoria y tecnologías espintrónicas.

¿Todos los materiales presentan comportamiento magnetoeléctrico?

No, sólo los materiales magnetoeléctricos o multiferroicos que tienen la simetría y el orden cristalino adecuados pueden presentar este efecto.

¿Cómo se mide la polarizabilidad magnetoeléctrica?

Los investigadores aplican campos eléctricos y magnéticos controlados y miden la polarización o magnetización inducida.

¿Qué problemas plantean las aplicaciones prácticas?

Los principales retos son encontrar materiales con un fuerte acoplamiento magnetoeléctrico a temperatura ambiente e integrarlos en las arquitecturas de dispositivos existentes.