De una manera muy inusual, las propiedades eléctricas y magnéticas de un cristal en particular están vinculadas entre sí: el fenómeno fue descubierto y explicado en TU Wien (Viena).
La electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados: las líneas eléctricas generan un campo magnético, los imanes giratorios de un generador producen electricidad. Sin embargo, el fenómeno es mucho más complicado: las propiedades eléctricas y magnéticas de ciertos materiales también están acopladas entre sí. Las propiedades eléctricas de algunos cristales pueden verse influenciadas por campos magnéticos y viceversa. En este caso se habla de un “efecto magnetoeléctrico”. Desempeña un papel tecnológico importante, por ejemplo en ciertos tipos de sensores o en la búsqueda de nuevos conceptos de almacenamiento de datos.
Se investigó un material especial para el que, a primera vista, no se esperaría ningún efecto magnetoeléctrico. Pero experimentos cuidadosos ahora han demostrado que el efecto se puede observar en este material, solo funciona de manera completamente diferente de lo habitual. Puede controlarse de una manera muy sensible: incluso pequeños cambios en la dirección del campo magnético pueden cambiar las propiedades eléctricas del material a un estado completamente diferente.
La simetría controla el acoplamiento
“El que las propiedades eléctricas y magnéticas de un cristal estén acopladas o no depende de la simetría interna del cristal”, dice el profesor Andrei Pimenov del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien. “Si el cristal tiene un alto grado de simetría, por ejemplo, si un lado del cristal es exactamente la imagen especular del otro lado, entonces, por razones teóricas, no puede haber efecto magnetoeléctrico”.
Lukas Weymann en el laboratorio de TU Wien. Crédito: TU Wien
Esto se aplica al cristal, que ahora se ha examinado en detalle: una llamada langasita hecha de lantano, galio, silicio y oxígeno, dopado con átomos de holmio. “La estructura cristalina es tan simétrica que en realidad no debería permitir ningún efecto magnetoeléctrico. Y en el caso de campos magnéticos débiles, de hecho, no hay ningún acoplamiento con las propiedades eléctricas del cristal ”, dice Andrei Pimenov. “Pero si aumentamos la fuerza del campo magnético, ocurre algo notable: los átomos de holmio cambian su estado cuántico y ganan un momento magnético. Esto rompe la simetría interna del cristal “.
Desde un punto de vista puramente geométrico, el cristal sigue siendo simétrico, pero también hay que tener en cuenta el magnetismo de los átomos, y esto es lo que rompe la simetría. Por tanto, la polarización eléctrica del cristal se puede cambiar con un campo magnético. “La polarización se produce cuando las cargas positivas y negativas del cristal se desplazan un poco entre sí”, explica Pimenov. “Esto sería fácil de lograr con un campo eléctrico, pero debido al efecto magnetoeléctrico, esto también es posible usando un campo magnético”.
No es la fuerza, es la dirección
Cuanto más fuerte sea el campo magnético, más fuerte será su efecto sobre la polarización eléctrica. “La relación entre la polarización y la intensidad del campo magnético es aproximadamente lineal, lo que no es nada inusual”, dice Andrei Pimenov. “Lo que es notable, sin embargo, es que la relación entre la polarización y la dirección del campo magnético es fuertemente no lineal. Si cambia un poco la dirección del campo magnético, la polarización puede volcarse por completo. Esta es una nueva forma de efecto magnetoeléctrico, que no se conocía antes “. Entonces, una pequeña rotación puede decidir si el campo magnético puede cambiar la polarización eléctrica del cristal o no.
Posibilidad de nuevas tecnologías de almacenamiento
“El efecto magnetoeléctrico jugará un papel cada vez más importante para diversas aplicaciones tecnológicas”, dice Andrei Pimenov. “En un próximo paso, intentaremos cambiar las propiedades magnéticas con un campo eléctrico en lugar de cambiar las propiedades eléctricas con un campo magnético. En principio, esto debería ser posible exactamente de la misma manera “.
Si esto tiene éxito, sería una nueva forma prometedora de almacenar datos en sólidos. “En las memorias magnéticas, como los discos duros de las computadoras, los campos magnéticos son necesarios hoy”, explica Pimenov. “Se generan con bobinas magnéticas, lo que requiere una cantidad relativamente grande de energía y tiempo. Si hubiera una forma directa de cambiar las propiedades magnéticas de una memoria de estado sólido con un campo eléctrico, esto sería un gran avance “.
Referencia: “Efecto magnetoeléctrico inusual en langasita paramagnética de tierras raras” por Lukas Weymann, Lorenz Bergen, Thomas Kain, Anna Pimenov, Alexey Shuvaev, Evan Constable, David Szaller, Boris V. Mill, Artem M. Kuzmenko, Vsevolod Yu. Ivanov, Nadezhda V. Kostyuchenko, Alexander I. Popov, Anatoly K. Zvezdin, Andrei Pimenov, Alexander A. Mukhin y Maxim Mostovoy, 7 de septiembre de 2020, Materiales cuánticos npj.
DOI: 10.1038 / s41535-020-00263-9
