Los investigadores acaban de lograr fabricar una interfaz bidimensional conductora que tiene propiedades ferroeléctricas, ferromagnéticas y conductoras, una triple coincidencia que normalmente es imposible de lograr, pero que aquí es posible gracias a una estructura en capas hábilmente elegida.
Vista esquemática de la sección transversal de una muestra que alberga un gas de electrones multiferroico. Es una multicapa de óxidos con estructura de perovskita ABO3. La capa superior (en azul) consta de LaAlO3, la capa intermedia (en naranja) de EuTiO3 y la capa inferior de Ca-SrTiO3. Las flechas horizontales representan el momento magnético (en magnetostática, es decir, una distribución de corrientes permanentes con un soporte compacto de volumen V.) transportado por los átomos. El gas de electrones se extiende a las primeras 2-3 capas del Ca-SrTiO3. Ca-SrTiO3 es ferroeléctrico: los átomos están descentrados, lo que genera un dipolo eléctrico (El dipolo eléctrico es un conductor eléctrico con dos terminales). La amplitud (en esta simple ecuación de onda:) y la dirección de los dipolos (diferentes entre las partes izquierda y derecha de la figura) influyen en el tamaño de los momentos magnéticos, correspondientes a un acoplamiento magnetoeléctrico en el gas de electrones (representado por un halo azul ).
© Unidad de Física Conjunta CNRS/Thales.
Los multiferroicos son una familia de materiales en los que coexisten dos propiedades que generalmente no van juntas: el magnetismo (El magnetismo es un fenómeno físico, a través del cual se manifiestan fuerzas…) y la ferroelectricidad (los cristales ferroeléctricos tienen un momento dipolo eléctrico incluso en ausencia. ..). El magnetismo es bien conocido: aparece de forma natural en ciertos materiales (como el hierro) que tienen una magnetización remanente, es decir, que persiste incluso en ausencia de un campo magnético (En física, el campo magnético (o inducción magnética, o densidad de flujo…) La dirección de la magnetización remanente puede invertirse aplicando un campo magnético opuesto, ofreciendo así un efecto memoria (El efecto memoria es un fenómeno físico-químico que afecta el rendimiento de los acumuladores…) interesante para aplicaciones.
La ferroelectricidad es un fenómeno más raro y puede verse como un análogo eléctrico del magnetismo: un compuesto ferroeléctrico tiene dipolos eléctricos (dos cargas exactamente opuestas, separadas por una distancia extremadamente pequeña, menos del tamaño de un átomo) que son el análogo eléctrico de Imanes microscópicos: una vez alineados por un campo eléctrico, su efecto (un «campo dipolar») se vuelve no solo macroscópico, como la magnetización de los imanes, sino también remanente y puede modificarse mediante la aplicación de un campo eléctrico.
En principio, la ferroelectricidad -y por tanto el carácter multiferroico- sólo se encuentra en los aisladores, porque las cargas libres en un material tenderán a moverse y cancelar todos los efectos colectivos ligados a dipolos eléctricos microscópicos. Un equipo de la Unidad Mixta de Física CNRS/Thales (UMPhy, CNRS / Thales), en colaboración con el Laboratorio de Cristalografía (La Cristalografía es la ciencia dedicada al estudio de las sustancias cristalinas…) y de los materiales (CRISMAT, CNRS / ENSICAEN / Universidad (Una universidad es un establecimiento de educación superior cuyo objetivo es el…) de Caen Normandía), el CNR-SPIN y la Universidad Federico II de Nápoles y el Instituto Paul Scherrer en Suiza, sin embargo, recientemente ha desarrollado un nuevo tipo de material que es a la vez ferroeléctrico y magnético a la vez que es un excelente conductor eléctrico.
Este nuevo material es un tipo de «gas» bidimensional de electrones, un conductor metálico de solo unos pocos planos atómicos de espesor, que se forma en la interfaz entre dos compuestos de la familia de los óxidos con una estructura de perovskita. Los resultados de este estudio muestran por primera vez que los fenómenos de ferroelectricidad, magnetismo y conductividad se encuentran en un mismo sistema. Además, estas tres propiedades están acopladas. Así, la aplicación de un campo eléctrico para invertir la polarización (la polarización de las ondas electromagnéticas, la polarización debida a los momentos ferroeléctricos…) modifica remanentemente la resistencia eléctrica del gas de electrones. Asimismo, sus propiedades de transporte electrónico son moduladas por sus propiedades magnéticas, todo ello controlado por la dirección de polarización ferroeléctrica.
La física de estos sistemas multiferroicos conductores es muy rica y aún queda mucho por explorar. La coexistencia de estas propiedades y la posibilidad de controlarlas fácilmente con un voltaje eléctrico ciertamente abre el camino a nuevos dispositivos para el almacenamiento de información y la computación de bajo consumo. Este estudio se publica en Nature Physics.
Referencias
Coexistencia y acoplamiento de ferroelectricidad y magnetismo en un gas de electrones bidimensional de óxido. J. Bréhin et al, Nature Physics, artículo del 9 de marzo de 2023.
DOI: 10.1038/s41567-023-01983-y
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