Los materiales también se frustran
2017/08/11 Irene Urcelay-Olabarria - Ingeniaritza Eskolako irakasle atxikia Fisika Aplikatua I SaileanEHU Iturria: Elhuyar aldizkaria
¿Cuántas veces pasa que durante mucho tiempo se está preparando algo y que en el último momento algo estropee nuestro proyecto? ¿O querer cosas con la misma voluntad, pero no poder llenarlas todas al mismo tiempo? En la mayoría de las ocasiones sentimos un mal cuerpo que no podemos evitar, es decir, frustración. Sin embargo, dar una solución a la situación que nos frustra no siempre es imposible. Para ello necesitamos cambiar el punto de vista, desarrollar nuevas ideas o adaptarse a una nueva situación que no habíamos esperado. Y es que, a menudo, los nuevos resultados inesperados nos llenan más de lo que esperábamos y son mucho más interesantes de lo que imaginábamos. Por lo tanto, a pesar de que la frustración en sí misma es negativa, encontrar vías para salir de allí puede ser muy enriquecedor.
Pero, ¿qué pasa en los materiales? Los materiales no tienen ganas ni deseos, ni sentimientos, pero en algunos contextos se dice que los materiales también se frustran. Quieren llegar a un objetivo, pero no. Así, los materiales se sienten obligados a encontrar una solución intermedia. Esto hace que aparezcan características especiales en los materiales.
Para ver cómo se pueden frustrar los materiales nos fijaremos en sus características magnéticas. Cuando hablamos de materiales magnéticos, en general, la imagen que primero nos viene a la mente es de un imán, pero también hay otros tipos de materiales magnéticos. La característica común de todos ellos es que, entre los átomos que componen el material, algunos son de momento magnético. Para hacer una idea, los átomos con momentos magnéticos se pueden considerar imanes microscópicos, con polo norte y polo sur magnético.
Supongamos un material con átomos magnéticos de un solo tipo. En este material magnético tendremos millones de átomos magnéticos, es decir, millones de imantxo. Al igual que un imán ejerce una fuerza sobre el otro cuando nos acercamos entre dos imanes macroscópicos, entre los momentos magnéticos que se encuentran dentro del material magnético se producen interacciones magnéticas (NR). Dentro de los materiales, estas interacciones pueden ser, en general, de dos tipos: aquellas que hacen que dos imanes contiguos se sitúen de forma paralela (material ferromagnético) o que los colocan de forma antiparalela (material antifromagnético). Así, cuando la interacción es ferromagnética, la interacción es positiva, es decir, EE>0, por lo que los momentos magnéticos se alinean en configuración paralela. Sin embargo, cuando la interacción es antifromagnética, la CE<0 y los imanchos se alinean en una configuración antiparalela.
En materiales magnéticamente frustrados, no todas las interacciones magnéticas son simultáneas. Dicho de otro modo, las obligaciones que se derivan de las distintas direcciones de un átomo magnético son incompatibles y, en consecuencia, el momento magnético de dicho átomo no sabe cómo situarlo respecto a los momentos magnéticos de los demás átomos que lo flanquean. Para aclarar todo esto utilizaremos un ejemplo. Supongamos que los átomos magnéticos se encuentran en una red triangular y que todas las interacciones tienen el mismo valor. Si la interacción entre los imanchos consecutivos es ferromagnética (CE>0), todas las interacciones se pueden realizar en paralelo poniendo todos los momentos. Sin embargo, si EE<0 no es posible realizar todas las interacciones al mismo tiempo y el sistema consigue una estructura intermedia: no hay problemas para ubicar dos de los tres momentos magnéticos, colocando ambos de forma antiparalela. Pero, ¿qué se puede hacer con el tercero? Esta última no puede colocarse de forma antiparalela a las otras dos simultáneamente. En consecuencia, el material no sabe qué hacer, se siente frustrado y, para salir de esta situación, el material obtiene configuraciones intermedias, ni paralelas ni estrictamente antiparalelas. Debido a estas especiales estructuras magnéticas, en muchas ocasiones el material presenta características especiales que pueden dar lugar a polarización eléctrica. Materiales con estructura magnética y polarización eléctrica pueden ser de gran interés para aplicaciones tecnológicas como la construcción de sensores y memorias de información.
Analicemos un caso particular en el que la frustración magnética produce complejas estructuras magnéticas y una de ellas es el origen de la polarización eléctrica. En la década de los noventa se estudiaron las estructuras magnéticas del material MnWO4. En este material, el único átomo magnético es el manganeso, Mn. Este material presenta tres estructuras o fases magnéticas a bajas temperaturas por debajo de 13,5 K (ver figura 3). En la primera fase que aparece al bajar la temperatura, los momentos magnéticos se sitúan en el plano ac, a 35º del eje a (dirección n) y sus amplitudes o longitudes varían de un átomo a otro (figura 3a). En la fase central (Figuras 3b y 3c), a los momentos magnéticos se les añade la componente b, y de esta forma se sitúan en el plano que generan las direcciones n y b. Como se puede apreciar en la figura 3b, si la proyección de la estructura magnética se realiza en el plano ab, parece que los momentos magnéticos giran. En la última estructura (figura 3d), la componente b de los momentos magnéticos se pierde y los momentos magnéticos vuelven a situarse en la dirección n con la misma longitud en la configuración ++-. Es decir, los momentos son paralelos por parejas y cada pareja es antiparalela a la pareja lateral.
El origen de esta sucesión de estructuras magnéticas radica en la fuerte competencia entre interacciones magnéticas que generan frustración magnética. La frustración magnética que se produce en este compuesto a bajas temperaturas se demostró en 2011. Se midieron las interacciones magnéticas entre las distintas parejas de manganeso y, según vieron, las interacciones entre cinco pares de átomos, las de mayor intensidad y por tanto las principales, son negativas, por lo que establecen una interacción antifromagnética entre los pares de átomos implicados. Estas imposiciones no son simultáneas, por lo que el compuesto se frustra. Queremos llenar todas las interacciones, pero no. Esto hace que aparezcan en el material configuraciones magnéticas complejas y diversas debido a pequeños cambios de temperatura.
La complejidad de las estructuras magnéticas es el resultado de que el sistema resuelva la frustración. Como ya se ha mencionado anteriormente, los resultados obtenidos en la resolución de la situación de frustración, en ocasiones, enriquecen el sistema. Este es el caso de la estructura magnética intermedia del compuesto MnWO4. Esta estructura es especialmente interesante: por la simetría de la propia estructura, permite la aparición de la polarización eléctrica. Lamentablemente, al tratarse de un fenómeno que se produce en este caso a temperaturas muy bajas, el material por el momento no es de utilidad para aplicaciones tecnológicas.
La aparición de una gran variedad de estructuras magnéticas se debe a la elevada competencia entre interacciones en un mismo compuesto. En condiciones de alta competencia, las áreas exteriores (temperaturas, presiones, campos magnéticos...) o la sustitución química pueden romper este equilibrio entre interacciones y establecer una nueva estructura magnética en el material, así como cualquier propiedad física relacionada con dicha estructura. Este es el origen de la aparición de tres estructuras magnéticas en un rango de temperaturas de 13,5 K.
Además de la influencia de la temperatura, se ha analizado la influencia del intercambio iónico. Al sustituir el manganeso por iones de cobalto, la estructura de polarización eléctrica se estabiliza a temperaturas muy bajas, desapareciendo la estructura en forma de ++-. Además, aparece una nueva fase magnética en un material con 10% de cobalto: la estructura con polarización magnética se transforma y, por tanto, cambia la dirección de la polarización. Al aumentar la concentración de cobalto, en el caso del compuesto Mn0,85Co0,15WO4, existen numerosas estructuras magnéticas presentes en el material incluso a una temperatura fija. En esta muestra la frustración magnética es tan grande que a ciertas temperaturas no se estabiliza una sola estructura.
Se observa claramente que el material MnWO4 es un sistema de gran frustración magnética y que cuando se producen cambios de distinto tipo, es decir, cuando se modifican las interacciones entre los átomos, se consiguen nuevos equilibrios magnéticos en el material, dando lugar a estructuras magnéticas completamente diferentes. Las propiedades físicas totalmente ligadas a estas estructuras magnéticas también cambian cuando se alcanzan nuevos equilibrios. En el caso que nos ocupa, la polarización eléctrica sufre cambios en la temperatura y en el número de cobaltos.
Por tanto, aunque en principio la frustración se refiere a los seres vivos, hemos visto que los materiales también se frustran. Esta frustración se debe, en el caso analizado, a que los átomos adquieren obligaciones incompatibles. El sistema, en este caso, encuentra una solución intermedia: forma estructuras magnéticas complejas. Además, tal y como hemos visto, podemos adaptar esa frustración colocando el material en diferentes situaciones y de esta manera modificar sus características.
Los seres vivos también, a veces, deberíamos aprender de los materiales y, en lugar de quedarnos en la frustración, deberíamos empeñarnos en buscar y encontrar soluciones a las situaciones. Hay que tener en cuenta que muchas veces estas soluciones pueden conllevar algún resultado inesperado que puede ser positivo!
Bibliografía
Arkenbout A. H., Palstra, T. T. M.; Siegrist, T.; Alevín, 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, Y. Q.; Sun, Y. Y.; 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 Series 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 use of neutron diffraction”. Phys. Rev. B 48, 6087.
Song, Y. S.; Chung, J.H. ; Park, J. M. S.; Choi, Y. 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. Y.; 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, Y.; Lorenz, B.; Chu, C. W. (2011): “Long-range magnetic interactions in the multiferroic antiferromagnet MnWO4” Phys. Rev. B 83, 140401.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
