Os materiais tamén se frustran

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

• Fisika
• Materialak

Cantas veces pasa que durante moito tempo está a prepararse algo e que no último momento algo estrague o noso proxecto? Ou querer cousas coa mesma vontade, pero non poder enchelas todas ao mesmo tempo? Na maioría das ocasións sentimos un mal corpo que non podemos evitar, é dicir, frustración. Con todo, dar una solución á situación que nos frustra non sempre é imposible. Paira iso necesitamos cambiar o punto de vista, desenvolver novas ideas ou adaptarse a unha nova situación que non esperaramos. E é que, a miúdo, os novos resultados inesperados énchennos máis do que esperabamos e son moito máis interesantes do que imaxinabamos. Por tanto, a pesar de que a frustración en si mesma é negativa, atopar vías paira saír de alí pode ser moi enriquecedor.

Pero, que pasa nos materiais? Os materiais non teñen ganas nin desexos, nin sentimentos, pero nalgúns contextos dise que os materiais tamén se frustran. Queren chegar a un obxectivo, pero non. Así, os materiais senten obrigados a atopar una solución intermedia. Isto fai que aparezan características especiais nos materiais.

Paira ver como se poden frustrar os materiais fixarémonos nas súas características magnéticas. Cando falamos de materiais magnéticos, en xeral, a imaxe que primeiro nos vén á mente é dun imán, pero tamén hai outros tipos de materiais magnéticos. A característica común de todos eles é que, entre os átomos que compoñen o material, algúns son de momento magnético. Paira facer una idea, os átomos con momentos magnéticos pódense considerar imáns microscópicos, con polo norte e polo sur magnético.

Supoñamos un material con átomos magnéticos dun só tipo. Neste material magnético teremos millóns de átomos magnéticos, é dicir, millóns de imantxo. Do mesmo xeito que un imán exerce una forza sobre o outro cando nos achegamos entre dous imáns macroscópicos, entre os momentos magnéticos que se atopan dentro do material magnético prodúcense interaccións magnéticas (NR). Dentro dos materiais, estas interaccións poden ser, en xeral, de dous tipos: aquelas que fan que dous imáns contiguos sitúense de forma paralela (material ferromagnético) ou que os colocan de forma antiparalela (material antifromagnético). Así, cando a interacción é ferromagnética, a interacción é positiva, é dicir, EE>0, polo que os momentos magnéticos alíñanse en configuración paralela. Con todo, cando a interacción é antifromagnética, a CE<0 e os imanchos alíñanse nunha configuración antiparalela.

Figura : Esquemas de tipos de materiais con átomos magnéticos dun só tipo. Ed. Irene Urcelay

En materiais magnéticamente frustrados, non todas as interaccións magnéticas son simultáneas. Dito doutro xeito, as obrigacións que se derivan das distintas direccións dun átomo magnético son incompatibles e, en consecuencia, o momento magnético de devandito átomo non sabe como situalo respecto dos momentos magnéticos dos demais átomos que o flanquean. Paira aclarar todo isto utilizaremos un exemplo. Supoñamos que os átomos magnéticos atópanse nunha rede triangular e que todas as interaccións teñen o mesmo valor. Se a interacción entre os imanchos consecutivos é ferromagnética (CE>0), todas as interaccións pódense realizar en paralelo pondo todos os momentos. Con todo, se EE<0 non é posible realizar todas as interaccións ao mesmo tempo e o sistema consegue una estrutura intermedia: non hai problemas paira situar dous dos tres momentos magnéticos, colocando ambos de forma antiparalela. Pero, que se pode facer co terceiro? Esta última non pode colocarse de forma antiparalela ás outras dúas simultaneamente. En consecuencia, o material non sabe que facer, sente frustrado e, paira saír desta situación, o material obtén configuracións intermedias, nin paralelas nin estritamente antiparalelas. Debido a estas especiais estruturas magnéticas, en moitas ocasións o material presenta características especiais que poden dar lugar a polarización eléctrica. Materiais con estrutura magnética e polarización eléctrica poden ser de gran interese paira aplicacións tecnolóxicas como a construción de sensores e memorias de información.

2. Imaxe: Sendo todas as interaccións entre os momentos magnéticos (EE) de todos os átomos iguais, a orixe da frustración é a rede atómica. Os átomos sitúanse nos vértices dun triángulo. Se a interacción é positiva, non hai problema, pero si é negativa non se poden encher as correspondencias magnéticas entre todos os átomos. En consecuencia, o material recorre a unha solución intermedia, creando estruturas máis complexas. Ed. Irene Urcelay

Analicemos un caso particular no que a frustración magnética produce complexas estruturas magnéticas e una delas é a orixe da polarización eléctrica. Na década do noventa estudáronse as estruturas magnéticas do material MnWO4. Neste material, o único átomo magnético é o manganeso, Mn. Este material presenta tres estruturas ou fases magnéticas a baixas temperaturas por baixo de 13,5 K (ver figura 3). Na primeira fase que aparece ao baixar a temperatura, os momentos magnéticos sitúanse no plano ac, a 35º do eixo a (dirección n) e as súas amplitudes ou lonxitudes varían dun átomo a outro (figura 3a). Na fase central (Figuras 3b e 3c), aos momentos magnéticos engádeselles a compoñente b, e desta forma sitúanse no plano que xeran as direccións n e b. Como se pode apreciar na figura 3b, se a proxección da estrutura magnética realízase no plano ab, parece que os momentos magnéticos viran. Na última estrutura (figura 3d), a compoñente b dos momentos magnéticos pérdese e os momentos magnéticos volven situarse na dirección n coa mesma lonxitude na configuración ++-. É dicir, os momentos son paralelos por parellas e cada parella é antiparalela á parella lateral.

Figura : As tres estruturas magnéticas que aparecen no material MnWO4 a medida que a temperatura diminúe: (a) Proxección da primeira estrutura no plano ac. Proxección da estrutura comprendida entre (b) e (c) nos planos ab e ac, respectivamente. (d) Proxección da estrutura a baixas temperaturas en ac pla-noa. Ed. Irene Urcelay

A orixe desta sucesión de estruturas magnéticas radica na forte competencia entre interaccións magnéticas que xeran frustración magnética. A frustración magnética que se produce neste composto a baixas temperaturas demostrouse en 2011. Medíronse as interaccións magnéticas entre as distintas parellas de manganeso e, segundo viron, as interaccións entre cinco pares de átomos, as de maior intensidade e por tanto as principais, son negativas, polo que establecen una interacción antifromagnética entre párelos de átomos implicados. Estas imposicións non son simultáneas, polo que o composto frústrase. Queremos encher todas as interaccións, pero non. Isto fai que aparezan nas material configuracións magnéticas complexas e diversas debido a pequenos cambios de temperatura.

A complexidade das estruturas magnéticas é o resultado de que o sistema resolva a frustración. Como xa se mencionou anteriormente, os resultados obtidos na resolución da situación de frustración, en ocasións, enriquecen o sistema. Este é o caso da estrutura magnética intermedia do composto MnWO4. Esta estrutura é especialmente interesante: pola simetría da propia estrutura, permite a aparición da polarización eléctrica. Lamentablemente, ao tratarse dun fenómeno que se produce neste caso a temperaturas moi baixas, o material polo momento non é de utilidade paira aplicacións tecnolóxicas.

A aparición dunha gran variedade de estruturas magnéticas débese á elevada competencia entre interaccións nun mesmo composto. En condicións de alta competencia, as áreas exteriores (temperaturas, presións, campos magnéticos...) ou a substitución química poden romper este equilibrio entre interaccións e establecer una nova estrutura magnética no material, así como calquera propiedade física relacionada con devandita estrutura. Este é a orixe da aparición de tres estruturas magnéticas nun rango de temperaturas de 13,5 K.

Ademais da influencia da temperatura, analizouse a influencia do intercambio iónico. Ao substituír o manganeso por iones de cobalto, a estrutura de polarización eléctrica estabilízase a temperaturas moi baixas, desaparecendo a estrutura en forma de ++-. Ademais, aparece una nova fase magnética nun material con 10% de cobalto: a estrutura con polarización magnética transfórmase e, por tanto, cambia a dirección da polarización. Ao aumentar a concentración de cobalto, no caso do composto Mn0,85Co0,15WO4, existen numerosas estruturas magnéticas presentes no material mesmo a unha temperatura fixa. Nesta mostra a frustración magnética é tan grande que a certas temperaturas non se estabiliza una soa estrutura.

Obsérvase claramente que o material MnWO4 é un sistema de gran frustración magnética e que cando se producen cambios de distinto tipo, é dicir, cando se modifican as interaccións entre os átomos, conséguense novos equilibrios magnéticos no material, dando lugar a estruturas magnéticas completamente diferentes. As propiedades físicas totalmente ligadas a estas estruturas magnéticas tamén cambian cando se alcanzan novos equilibrios. No caso que nos ocupa, a polarización eléctrica sofre cambios na temperatura e no número de cobaltos.

Por tanto, aínda que en principio a frustración refírese aos seres vivos, habemos visto que os materiais tamén se frustran. Esta frustración débese, no caso analizado, a que os átomos adquiren obrigacións incompatibles. O sistema, neste caso, atopa una solución intermedia: forma estruturas magnéticas complexas. Ademais, tal e como vimos, podemos adaptar esa frustración colocando o material en diferentes situacións e desta maneira modificar as súas características.

Os seres vivos tamén, ás veces, deberiamos aprender dos materiais e, en lugar de quedarnos na frustración, deberiamos empeñarnos en buscar e atopar solucións ás situacións. Hai que ter en conta que moitas veces estas solucións poden levar algún resultado inesperado que pode 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, E. Q.; Sun, E. E.; 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, E. S.; Chung, J.H. ; Park, J. M. S.; Choi, E. 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. E.; 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, E.; Lorenz, B.; Chu, C. W. (2011): “Long-range magnetic interactions in the multiferroic antiferromagnet MnWO4” Phys. Rev. B 83, 140401.