Neutrones para las tecnologías cuánticas del futuro: resultados revolucionarios en perovskitas estratificadas
Los materiales multiferroicos, en los que las propiedades eléctricas y magnéticas se combinan de forma prometedora, serán el corazón de nuevas soluciones para el almacenamiento de datos, la transmisión de datos y los ordenadores cuánticos. Entretanto, comprender el origen de tales propiedades a nivel fundamental es clave para desarrollar aplicaciones, y los neutrones son la sonda ideal.
Estructura del cristal de YBCFO determinada a 10 K.
Communications Materials
Los neutrones poseen un momento dipolar magnético que los hace sensibles a los campos magnéticos generados por electrones no apareados en los materiales. Esto convierte a las técnicas de dispersión de neutrones en una poderosa herramienta para sondear el comportamiento magnético de los materiales a nivel atómico.
La historia de las llamadas perovskitas estratificadas y los revolucionarios resultados que ahora se publican son un ejemplo paradigmático que pone de relieve tanto el papel de los estudios fundamentales en el desarrollo de aplicaciones como el poder de los neutrones. La estructura magnética de las perovskitas estratificadas YBaCuFeO5 -y, por tanto, el origen de su interesante comportamiento magnetoeléctrico-, una prometedora clase de materiales que presentan propiedades magnéticas y eléctricas acopladas a temperatura ambiente, aún no se había determinado de forma inequívoca.
Los resultados ahora publicados precisan la estructura magnética en espiral de estos materiales, estableciendo finalmente el origen común de sus prometedoras propiedades magnéticas y eléctricas hasta temperaturas ambiente. Los experimentos se llevaron a cabo íntegramente en el ILL, utilizando cinco instrumentos de un conjunto puntero de más de 40, y aprovechando tecnologías avanzadas de entorno de muestras.
"Este estudio ha eliminado ambigüedades esenciales, cubriendo el vacío creado por la falta de investigaciones en monocristal", J. Alberto Rodríguez-Velamazán, investigador del ILL y responsable del instrumento D3, destacando que "Todo el estudio se ha realizado sólo con neutrones, apoyándose en la combinación de diferentes técnicas de difracción y capacidades disponibles en el ILL."
Diminutos imanes en espiral
Los multiferrosos magnetoeléctricos son materiales en los que coexisten los órdenes eléctrico y magnético. La combinación de ferroelectricidad (caracterizada por una polarización eléctrica neta) y orden magnético de largo alcance (debido a la alineación de momentos magnéticos derivados de espines de electrones no acoplados) es muy buscada desde una perspectiva tecnológica.
En algunos materiales multiferroicos, las propiedades eléctricas y magnéticas están fuertemente acopladas: la alineación de los momentos magnéticos induce la separación de cargas. Un caso bien establecido de orden eléctrico y magnético fuertemente acoplado es el orden magnético espiral: los espines vecinos se disponen en un patrón espiral, que a su vez es capaz de crear dipolos eléctricos.
Los órdenes magnético y eléctrico acoplados permiten actuar sobre las propiedades magnéticas utilizando un campo eléctrico, y actuar sobre las propiedades eléctricas utilizando un campo magnético. Los multiferroicos acoplados son, por tanto, materiales prometedores para diseñar nuevos dispositivos. En concreto, utilizar un campo eléctrico (en lugar de magnético) para actuar sobre el orden magnético -por ejemplo, para cambiar el estado de un bit en un dispositivo de almacenamiento o para manipular estados de espín- consume mucha menos energía. Además, estos materiales suelen ser menos volátiles (menos perturbados por campos magnéticos externos), lo que aumenta la estabilidad de los dispositivos y permite una mayor miniaturización.
Los materiales multiferroicos en espiral son escasos. De hecho, para que surjan estas propiedades tan peculiares se imponen restricciones bastante severas a la simetría y geometría de la estructura microscópica del material. En la mayoría de los materiales multiferroicos, el ordenamiento característico sólo subsiste a temperaturas muy bajas. En la práctica, esto limita mucho las posibilidades de aplicación en dispositivos.
Mantenerse "frío" a altas temperaturas: desvelando los misterios de las perovskitas con neutrones
Las perovskitas estratificadas (RBaCuFeO5) son un caso poco frecuente que presenta propiedades de ordenamiento magnético y eléctrico acopladas a temperatura ambiente, por lo que constituyen una prometedora clase de materiales para aplicaciones. Si bien su comportamiento multiferroico a altas temperaturas estaba bien establecido, la estructura magnética subyacente -y, por tanto, el origen de su interesante comportamiento magnetoeléctrico- estaba aún por determinar sin ambigüedades.
De hecho, se ideó un mecanismo no convencional (denominado "orden en espiral por desorden") que podría explicar la extraordinaria estabilidad térmica de su presunto orden magnético en espiral. Sin embargo, no había datos concluyentes que apoyaran la existencia del orden en espiral en estos materiales. De hecho, los resultados disponibles, obtenidos con muestras policristalinas mediante medidas de difracción de neutrones en polvo, eran compatibles con el orden en espiral, pero también con la modulación sinusoidal del espín, una disposición que no daría lugar a la ferroelectricidad. Aún faltaba un estudio capaz de desentrañar las dos posibilidades.
Mientras que las interesantes propiedades macroscópicas observadas del material seguirían estando ahí, la ausencia de orden espiral significaría que no entendíamos realmente su origen microscópico, ya que la explicación existente de lo que realmente estaba ocurriendo en el material no se sostendría - desde luego, no era un buen punto de partida para desarrollar aplicaciones basadas en este material.
El primer paso importante fue pasar de una muestra de polvo policristalino a cristales individuales de alta calidad. Los cristales se cultivaron y caracterizaron en el Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC, España). A continuación, su estructura magnética se analizó exhaustivamente con neutrones en el ILL. Se utilizó el instrumento Orient Express para tomar instantáneas del cristal, lo que permitió evaluar su calidad y orientación. A continuación, el difractómetro Laue Cyclops amplió estas medidas a temperaturas criogénicas y estudió rápidamente todo el espacio recíproco, lo que permitió a los investigadores seleccionar la muestra más prometedora para los experimentos monocromáticos posteriores. A continuación, se realizaron amplias mediciones con los difractómetros monocromáticos monocristalinos D10 y D9.
El segundo paso decisivo fue el uso de neutrones polarizados. En efecto, la posibilidad de producir haces de neutrones polarizados (con todos sus espines paralelos) permite precisar mucho más la información magnética, facilitando el desciframiento de estructuras magnéticas complejas. Los experimentos de polarimetría de neutrones esféricos (SNP) se llevaron a cabo en el difractómetro de neutrones calientes D3. La respuesta magnetoeléctrica se exploró mediante un campo eléctrico.
"Nuestros hallazgos no sólo confirman que el orden magnético en nuestro cristal es espiral, sino que también demuestran que el desorden catiónico es responsable de estabilizar esta estructura espiral. Esta idea se extiende a muestras de la familia de las perovskitas, donde se ha observado un ordenamiento similar muy por encima de la temperatura ambiente en muestras de polvo", concluye Rodríguez-Velamazán.
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