Els materials també es frustren

2017/08/11 Irene Urcelay-Olabarria - Ingeniaritza Eskolako irakasle atxikia Fisika Aplikatua I SaileanEHU Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika
• Materialak

Quantes vegades passa que durant molt de temps s'està preparant alguna cosa i que en l'últim moment alguna cosa espatlli el nostre projecte? O voler coses amb la mateixa voluntat, però no poder omplir-les totes al mateix temps? En la majoria de les ocasions sentim un mal cos que no podem evitar, és a dir, frustració. No obstant això, donar una solució a la situació que ens frustra no sempre és impossible. Per a això necessitem canviar el punt de vista, desenvolupar noves idees o adaptar-se a una nova situació que no havíem esperat. I és que, sovint, els nous resultats inesperats ens omplen més del que esperàvem i són molt més interessants del que imaginàvem. Per tant, a pesar que la frustració en si mateixa és negativa, trobar vies per a sortir d'allí pot ser molt enriquidor.

Però, què passa en els materials? Els materials no tenen ganes ni desitjos, ni sentiments, però en alguns contextos es diu que els materials també es frustren. Volen arribar a un objectiu, però no. Així, els materials se senten obligats a trobar una solució intermèdia. Això fa que apareguin característiques especials en els materials.

Per a veure com es poden frustrar els materials ens fixarem en les seves característiques magnètiques. Quan parlem de materials magnètics, en general, la imatge que primer ens ve a la ment és d'un imant, però també hi ha altres tipus de materials magnètics. La característica comuna de tots ells és que, entre els àtoms que componen el material, alguns són de moment magnètic. Per a fer una idea, els àtoms amb moments magnètics es poden considerar imants microscòpics, amb pol nord i pol sud magnètic.

Suposem un material amb àtoms magnètics d'un sol tipus. En aquest material magnètic tindrem milions d'àtoms magnètics, és a dir, milions d'imantxo. Igual que un imant exerceix una força sobre l'altre quan ens acostem entre dos imants macroscòpics, entre els moments magnètics que es troben dins del material magnètic es produeixen interaccions magnètiques (NR). Dins dels materials, aquestes interaccions poden ser, en general, de dos tipus: aquelles que fan que dos imants contigus se situïn de manera paral·lela (material ferromagnètic) o que els col·loquen de manera antiparal·lela (material antifromagnético). Així, quan la interacció és ferromagnètica, la interacció és positiva, és a dir, EE>0, per la qual cosa els moments magnètics s'alineen en configuració paral·lela. No obstant això, quan la interacció és antifromagnética, la CE<0 i els imanchos s'alineen en una configuració antiparal·lela.

Figura : Esquemes de tipus de materials amb àtoms magnètics d'un sol tipus. Ed. Irene Urcelay

En materials magnèticament frustrats, no totes les interaccions magnètiques són simultànies. Dit d'una altra manera, les obligacions que es deriven de les diferents direccions d'un àtom magnètic són incompatibles i, en conseqüència, el moment magnètic d'aquest àtom no sap com situar-lo respecte als moments magnètics dels altres àtoms que ho flanquegen. Per a aclarir tot això utilitzarem un exemple. Suposem que els àtoms magnètics es troben en una xarxa triangular i que totes les interaccions tenen el mateix valor. Si la interacció entre els imanchos consecutius és ferromagnètica (CE>0), totes les interaccions es poden realitzar en paral·lel posant tots els moments. No obstant això, si EE<0 no és possible realitzar totes les interaccions al mateix temps i el sistema aconsegueix una estructura intermèdia: no hi ha problemes per a situar dos dels tres moments magnètics, col·locant tots dos de manera antiparal·lela. Però, què es pot fer amb el tercer? Aquesta última no pot col·locar-se de manera antiparal·lela a les altres dues simultàniament. En conseqüència, el material no sap què fer, se sent frustrat i, per a sortir d'aquesta situació, el material obté configuracions intermèdies, ni paral·leles ni estrictament antiparal·leles. A causa d'aquestes especials estructures magnètiques, en moltes ocasions el material presenta característiques especials que poden donar lloc a polarització elèctrica. Materials amb estructura magnètica i polarització elèctrica poden ser de gran interès per a aplicacions tecnològiques com la construcció de sensors i memòries d'informació.

2. Imatge: Sent totes les interaccions entre els moments magnètics (EE) de tots els àtoms iguals, l'origen de la frustració és la xarxa atòmica. Els àtoms se situen en els vèrtexs d'un triangle. Si la interacció és positiva, no hi ha problema, però si és negativa no es poden omplir les correspondències magnètiques entre tots els àtoms. En conseqüència, el material recorre a una solució intermèdia, creant estructures més complexes. Ed. Irene Urcelay

Analitzem un cas particular en el qual la frustració magnètica produeix complexes estructures magnètiques i una d'elles és l'origen de la polarització elèctrica. En la dècada dels noranta es van estudiar les estructures magnètiques del material MnWO4. En aquest material, l'únic àtom magnètic és el manganès, Mn. Aquest material presenta tres estructures o fases magnètiques a baixes temperatures per sota de 13,5 K (veure figura 3). En la primera fase que apareix en baixar la temperatura, els moments magnètics se situen en el pla ac, a 35° de l'eix a (direcció n) i les seves amplituds o longituds varien d'un àtom a un altre (figura 3a). En la fase central (Figures 3b i 3c), als moments magnètics se'ls afegeix la component b, i d'aquesta forma se situen en el pla que generen les adrecis n i b. Com es pot apreciar en la figura 3b, si la projecció de l'estructura magnètica es realitza en el pla ab, sembla que els moments magnètics giren. En l'última estructura (figura 3d), la component b dels moments magnètics es perd i els moments magnètics tornen a situar-se en la direcció n amb la mateixa longitud en la configuració ++-. És a dir, els moments són paral·lels per parelles i cada parella és antiparal·lela a la parella lateral.

Figura : Les tres estructures magnètiques que apareixen en el material MnWO4 a mesura que la temperatura disminueix: (a) Projecció de la primera estructura en el pla ac. Projecció de l'estructura compresa entre (b) i (c) en els plans ab i ac, respectivament. (d) Projecció de l'estructura a baixes temperatures en ac pla-noa. Ed. Irene Urcelay

L'origen d'aquesta successió d'estructures magnètiques radica en la forta competència entre interaccions magnètiques que generen frustració magnètica. La frustració magnètica que es produeix en aquest compost a baixes temperatures es va demostrar en 2011. Es van mesurar les interaccions magnètiques entre les diferents parelles de manganès i, segons van veure, les interaccions entre cinc parells d'àtoms, les de major intensitat i per tant les principals, són negatives, per la qual cosa estableixen una interacció antifromagnética entre els parells d'àtoms implicats. Aquestes imposicions no són simultànies, per la qual cosa el compost es frustra. Volem omplir totes les interaccions, però no. Això fa que apareguin en el material configuracions magnètiques complexes i diverses a causa de petits canvis de temperatura.

La complexitat de les estructures magnètiques és el resultat que el sistema resolgui la frustració. Com ja s'ha esmentat anteriorment, els resultats obtinguts en la resolució de la situació de frustració, a vegades, enriqueixen el sistema. Aquest és el cas de l'estructura magnètica intermèdia del compost MnWO4. Aquesta estructura és especialment interessant: per la simetria de la pròpia estructura, permet l'aparició de la polarització elèctrica. Lamentablement, en tractar-se d'un fenomen que es produeix en aquest cas a temperatures molt baixes, el material de moment no és d'utilitat per a aplicacions tecnològiques.

L'aparició d'una gran varietat d'estructures magnètiques es deu a l'elevada competència entre interaccions en un mateix compost. En condicions d'alta competència, les àrees exteriors (temperatures, pressions, camps magnètics...) o la substitució química poden trencar aquest equilibri entre interaccions i establir una nova estructura magnètica en el material, així com qualsevol propietat física relacionada amb aquesta estructura. Aquest és l'origen de l'aparició de tres estructures magnètiques en un rang de temperatures de 13,5 K.

A més de la influència de la temperatura, s'ha analitzat la influència de l'intercanvi iònic. En substituir el manganès per ions de cobalt, l'estructura de polarització elèctrica s'estabilitza a temperatures molt baixes, desapareixent l'estructura en forma de ++-. A més, apareix una nova fase magnètica en un material amb 10% de cobalt: l'estructura amb polarització magnètica es transforma i, per tant, canvia la direcció de la polarització. En augmentar la concentració de cobalt, en el cas del compost Mn0,85Co0,15WO4, existeixen nombroses estructures magnètiques presents en el material fins i tot a una temperatura fixa. En aquesta mostra la frustració magnètica és tan gran que a certes temperatures no s'estabilitza una sola estructura.

S'observa clarament que el material MnWO4 és un sistema de gran frustració magnètica i que quan es produeixen canvis de diferent tipus, és a dir, quan es modifiquen les interaccions entre els àtoms, s'aconsegueixen nous equilibris magnètics en el material, donant lloc a estructures magnètiques completament diferents. Les propietats físiques totalment lligades a aquestes estructures magnètiques també canvien quan s'aconsegueixen nous equilibris. En el cas que ens ocupa, la polarització elèctrica sofreix canvis en la temperatura i en el nombre de cobalts.

Per tant, encara que en principi la frustració es refereix als éssers vius, hem vist que els materials també es frustren. Aquesta frustració es deu, en el cas analitzat, al fet que els àtoms adquireixen obligacions incompatibles. El sistema, en aquest cas, troba una solució intermèdia: forma estructures magnètiques complexes. A més, tal com hem vist, podem adaptar aquesta frustració col·locant el material en diferents situacions i d'aquesta manera modificar les seves característiques.

Els éssers vius també, a vegades, hauríem d'aprendre dels materials i, en lloc de quedar-nos en la frustració, hauríem d'obstinar-nos a buscar i trobar solucions a les situacions. Cal tenir en compte que moltes vegades aquestes solucions poden comportar algun resultat inesperat que pot ser positiu!

Bibliografia

Arkenbout A. H., Palstra, T. T. M.; Siegrist, T.; Aleví, T. (2006): “Ferroelectricity in the cycloidal spiral magnetic phase of MnWO4” Phys. Rev. B 74, 184431.

Chaudhury, R. P.; Ye, F.; Fernandez-Baca, J. A.; Wang, I. Q.; Sun, I. I.; Lorenz, B. H.; Mook, A.; Chu, C. W. (2010): “Magnetic and multiferroic phases of single-crystalline Mn0.85Co0.15WO4” Phys. Rev. B 82, 184422.

John T. Chalker (2011): “Introduction to Frustrated Magnetism, Materials, Experiments, Theory”. Springer Sèries in Solid-State Sciences, ISSN 0171-1873.

Lautenschläger, G.; Wietzel, H.; Vogt, T.; Hock, R.; Böhm, A.; Fuess, H. (1993). “Magnetic phase transitions of MnWO4 studied by the usi of neutron diffraction”. Phys. Rev. B 48, 6087.

Song, I. S.; Chung, J.H. ; Park, J. M. S.; Choi, I. N. (2009): “Stabilization of the elliptical spiral phase and the spin-flop transition in multiferroic Mn1{xCoxWO4” Phys. Rev. B 79, 224415.

Urcelay-Olabarria, I. ; Ressouche, E.; Mukhin, A. A.; Ivanov, V. Yu. ; Balbashov, A. M.; Vorob’ev, G. P.; Popov, Yu. F.; Cadomtseva, A. M.; Garc?a-Mu?oz, J. L.; Skumryev, V. (2012). Neutron diffraction, magnetic, and magnetoelectric studies of phase transitions in multiferroic Mn0.90Co0.10WO4. Phys. Rev. B 85 094436.

Urcelay-Olabarria, I. ; Ressouche, E.; Mukhin, A. A.; Ivanov, V. I.; Balbashov, A. M.; Garc?a-Mu?oz, J. L.; Skumryev, V. (2012). Conical antifromagnetic order in the ferroelectric phase of Mn0.8Co WO4 resulting from the competition between collinear and cycloidal structures. Phys. Rev. B 85, 224419.

Ye, F.; Fishman, R. S.; Fernandez-Baca, J. A.; Podlesny, A. A.; Ehlers, G.; Mook, H. A.; Wang, I.; Lorenz, B.; Chu, C. W. (2011): “Long-range magnetic interactions in the multiferroic antiferromagnet MnWO4” Phys. Rev. B 83, 140401.