10/07/2015 - Los materiales multiferroicos mejorarán la eficiencia energética en el almacenamiento de datos

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Investigadores de la Universidad de Zaragoza y del CSIC, junto a otros grupos de España, Suiza y Alemania, han obtenido por primera vez a temperatura ambiente películas delgadas de un material con propiedades multiferroicas (magnéticas y ferroeléctricas), que ayudarían a crear una nueva generación de dispositivos de almacenamiento de información con bajo consumo. Hasta diez veces se reduciría el consumo energético del proceso de grabación de la información y, por tanto, se lograrían aparatos mucho más eficientes.

Los escasísimos materiales en los que se presenta, llamados multiferroicos, son objeto de una investigación muy activa en los últimos diez años, pero conseguir que en un mismo material coexistan propiedades magnéticas y ferroeléctricas simultáneamente es extremadamente raro, debido a que los mecanismos que las producen suelen ser mutuamente excluyentes. Además se trabaja por descubrir materiales multiferroicos que mantengan sus propiedades a temperatura ambiente, puesto que los conocidos hasta el momento únicamente las adquieren a temperaturas muy bajas, inferiores a -200ºC.

De ahí la trascendencia del logro obtenido por la colaboración de varios grupos de investigación en España, Suiza y Alemania, que ha dado un paso más hacia su consecución, como recoge el artículo “Strain-induced coupling of electrical polarization and structural defects in SrMnO3 films”, y que recoge la revista Nature Nanotechnology. Aunque el SrMnO3 no es un material polar, estos investigadores han conseguido preparar películas delgadas que sí lo son, y además a temperatura ambiente.

Los autores del artículo en Aragón pertenecen al Instituto de Nanociencia de Aragón (INA), el Laboratorio de Microscopías Avanzadas (Universidad de Zaragoza)  y el Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (Unizar-CSIC). Laura Maurel: estudiante de doctorado(INA); César Magén: investigador de la fundación ARAID, INA, Departamento de Física de la Materia Condensada y Laboratorio de Microscopías Avanzadas; Eric Langenberg: investigador postdoctoral contratado,(INA);  Javier Blasco: investigador científico del CSIC, ICMA y Departamento de Física de la Materia Condensada; Pedro A. Algarabel: profesor de investigación del CSIC, ICMA y Departamento de Física de la Materia Condensada y José Ángel Pardo: profesor titular de universidad, Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos e INA.

Metodología

El método para obtener estas finas láminas de SrMnO3 con propiedades multiferroicas se llama deformación epitaxial y consiste en fabricar capas muy delgadas (de unos 20 nanómetros de espesor) ligeramente estiradas hacia sus extremos, de modo análogo a como se tensa la piel de un tambor. Esta forma de prepararlas da lugar a que el átomo de manganeso se desplace espontáneamente del centro de su celda cúbica, rompiendo así la simetría de la distribución de las cargas eléctricas. Lo más extraordinario es que este material es a la vez magnético (debido a que contiene manganeso), concretamente antiferromagnético, aunque sólo a unos -100ºC. En cualquier caso, este trabajo supone un gran avance al probar la utilidad de la deformación epitaxial como método de producir nuevos materiales multiferroicos en los que en un futuro próximo será posible controlar la magnetización mediante campos eléctricos a temperatura ambiente.

Esta resultado es fruto de la investigación que desde hace décadas se viene desarrollando. Algunos científicos a finales del siglo pasado comenzaron a preguntase si un material puede ser a la vez polar y magnético. Imaginemos ocho átomos iguales con carga eléctrica negativa situados en los vértices de un cubo perfecto. ¿Dónde está el centro de las cargas negativas? Es claro que se sitúa en el centro del cubo. Supongamos ahora que además hay un átomo con carga eléctrica positiva en ese mismo punto central. Podemos decir entonces que el centro de las cargas positivas y el de las negativas coinciden. Pues bien, esta forma de ordenarse los iones (átomos positivos y negativos) es la más habitual en la mayoría de las cerámicas conocidas. A estas estructuras se les dice centrosimétricas o no polares.

Cuando a un material aislante con estructura no polar se le aplica un campo eléctrico, por ejemplo colocándolo entre las placas de un condensador, los átomos positivos y los negativos se desplazan ligeramente en sentidos opuestos. De este modo se produce un estado polar o asimétrico, en el que los centros de sus cargas positivas y negativas ya no coinciden. Cuando se desconecta el campo eléctrico los átomos vuelven a sus posiciones centradas y se recupera la situación inicial.

Sin embargo existen algunos materiales que presentan ese estado polar de forma espontánea, es decir sin necesidad de que se les aplique externamente un estímulo eléctrico. Estos materiales son relativamente escasos pero muy útiles. Por ejemplo las cerámicas ferroeléctricas, que pertenecen a este grupo, se utilizan para almacenar energía eléctrica, como en los flashes de las cámaras fotográficas, o información digital, como en las memorias de algunos modelos de Playstation.

Por otra parte son bien conocidos desde hace tiempo, y muy utilizados, los materiales magnéticos, aquellos que se usan para hacer imanes, transformadores, brújulas, etc. Seguro que muchos lectores han fabricado alguna vez un electroimán haciendo circular la corriente que produce una pila por una bobina enrollada alrededor de una barra de hierro. Magnetizar un material por medio de una corriente eléctrica es el principio en el que se basa la grabación en las memorias magnéticas, tal como los discos duros de nuestros ordenadores.

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UNIZAR

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