Acoplamento magneto-elétrico Multiferróicos

Acoplamento magneto-elétrico
Multiferróicos
CONCEITOS FUNDAMENTAIS E
POTENCIAIS APLICAÇÕES
Thiago vahl - IFURGS
Objetivos
 Apresentar um breve histórico deste campo de pesquisa, classificar e
compreender as origens microscópicas do acoplamento magnetoelétrico e apresentar algumas potenciais aplicações, avanços recentes e
desafios futuros.
Sumário
1)
Introdução
2)
Classificação de multiferróicos
3)
Acoplamento magneto-elétrico em multiferróicos tipo II
4)
Potenciais aplicações, avanços recentes e desafios
Introdução
 Eletricidade + Magnetismo → Eq. de Maxwell séc. 19
 Em sólidos são tratados separadamente:
Cargas dos íons: efeitos de carga.
Spin dos elétrons: propriedades magnéticas.
 Primeiro apontamento do efeito, Landau e Lifshitz “Curso de física
teórica”
“ Deixe-nos apontar mais dois fenômenos, que, em princípio, poderiam existir.
Um, é o piezomagnetismo, que consiste do acoplamento linear entre um
campo magnético em um sólido e uma deformação (semelhante à
piezoeletricidade). O outro é um acoplamento entre campos elétrico e
magnético em um meio, que causaria, por exemplo, uma magnetização
proporcional a um campo elétrico.”
Introdução
 Astrov em 1960 observou experimentalmente o acoplamento entre
campos elétrico e magnético e rapidamente muitos compostos foram
descobertos e sintetizados, além de uma classificação quase completa
dos grupos de simetria permitidos pelo efeito.
 Respostas cruzadas em sólidos: campo E gera magnetização M, campo
H gera polarização P.
 Nova reviravolta: a existência de materiais em que os fenômenos
coexistem, mesmo na ausência de campos externos, os chamados
multiferróicos.
Introdução
 Ordem (ferro)magnética: ordenamento espontâneo dos momentos
magnéticos orbital e de spin, juntamente com ordem ferroelétrica:
ordenamento espontâneo dos momentos de dipolo elétrico.
Introdução
 O estudo de multiferróicos esteve calmo por volta dos anos 70 e ganhou
impulso com majoritariamente três realizações:
1)
2)
3)
Estudo teórico do motivo da escassez deste efeito cruzado em
materiais;
A fabricação de filme fino de BiFeO3, que na forma “bulk” possui
acoplamento muito fraco, mas na forma de filme fino as propriedades
multiferróicas são bastante aprimoradas;
A descoberta de uma classe de multiferróicos onde os fenômenos não
somente coexistem, mas magnetismo causa a ferroeletricidade.
Classificação de multiferróicos
 A origem microscópica do magnetismo é basicamente a mesma em
todos magnetos: é a presença de elétrons localizados, principalmente
em camadas d e f parcialmente preenchidas de íons de metais de
transição ou de terras raras, que tem um spin localizado ou momento
magnético correspondentes. Interações de troca entre momentos
localizados levam a ordenamento magnético.
Classificação do multiferróicos
 Dividem-se basicamente em dois grandes grupos:
Multiferróicos tipo I: as fontes de ferroeletricidade e magnética são
diferentes e o acoplamento é fraco.
Multiferróicos tipo II: a ferroeletricidade é causada pelo magnetismo, o
acomplamento é bastante forte e neste grupo concentra-se o maior
esforço em pesquisa.
Multiferróicos tipo I
 Esta classe subdivide-se em pelo menos outras quatro subclasses, de
acordo com o mecanismo microscópico causador de ferreoeletricidade.
I.1) Multiferróicos perovskitas;
I.2) Ferroeletricidade de pares isolados;
I.3) Ferroeletricidade devido a ordenamento de carga;
I.4) Ferroeletricidade geométrica.
Multiferróicos perovskitas
 Perovskitas ferroelétricos mais conhecidos: BaTiO3, Pb(ZrTi)O3 (PZT).
 Apesar de existirem muitos ferroelétricos e muitos magnéticos, poucos
materiais combinam estas duas características.
Magnetismo→ metais de transição com camadas d parcialmente
preenchidas;
Ferroeletricidade→ perovskitas contém íons de metais de transição com
camadas d vazias. Íons formam ligações covalentes, o centro de cargas é
deslocado originando ferroeletricidade.
Multiferróicos perovskitas
 A presença de elétrons d reais em configurações dn de metais de
transição magnéticos acaba com o processo de ferroeletricidade.
 O assim chamado problema “d0 vs dn” foi um dos primeiros a ser
estudado na recente sobrevida dos multiferróicos.
 Uma possível maneira de contornar este problema pode ser misturar
perovskitas com íons d0 e dn, infelizmente o acoplamento de
subsistemas magnético e ferroelétrico em perovskitas misturados é
muito fraco.
Perovskitas mistos com íons d0 ferroeletricamente
ativos e íons magnéticos dn , defasagens dos íons d0
do centro do octaedro O6 (placas amarelas) levam a
polarização coexistindo com magnetização
Ferroeletricidade de pares isolados
 Em BiFeO3, BiMnO3 e PbVO3, Bi3+ e Pb2+ exercem um papel maior na
origem da ferroeletricidade.
 A presença de elétrons 6s que não participam de ligações (ligações
pendentes) e tem alta polarizabilidade, ordenam-se microscopicamente
originando ferroeletricidade.
Em materiais como BiFeO3 o ordenamento de pares isolados
(lobo amarelo)contribuem para a polarização.
Ferroeletricidade de ordenamento de carga
 Ocorre especialmente em compostos que contém íons de metais de
transição com diferentes valências, após o ordenamento as ligações e
sítios ficam inequivalentes, aparece uma ordem ferroelétrica.
Em sistemas com ordenamento de cargas, a
coexistência de sítios com inequeivalência de cargas e
ligações (longas e curtas) originam ferroeletricidade.
Ferroeletricidade Geométrica
 Consideramos um caso imaginado em, por exemplo, YMnO3 não tendo
nada a ver com o Mn3+ magnético, mas causado pela inclinação do
bloco praticamente rígido MnO5. Esta inclinação ocorre exatamente
para promover um empacotamento maior e como resultado, os íons
oxigêncio movem-se para posições mais próxima aos íons Y.
Devido à inclinação as ligações Y-O formam dipolos
e aparecem dois dipolos “down” para cada dipolo
“up”, o sistema torna-se ferroelétrico, e a baixas
temperaturas quando os spins de Mn ordenam-se, o
sistema torna-se multiferróico.
Multiferróicos tipo II
 A maior expectativa gira em torno desta classe.
 Ferroletricidade existe somente em um estado magneticamente
ordenado e é causada por um tipo particular de magnetismo.
 Por exemplo, em TbMnO3 o ordenamento magnético aparece em
TN1=41K, e numa temperatura mais baixa, TN2=28K, a estrutura
magnética muda. É somente na fase de baixa temperatura que que uma
polarização elétrica não nula aparece.
 Em TbMn2O5 a infuência de um campo externo é ainda mais forte: a
polarização troca de sinal com o campo, e um campo alternado entre
+1.5 2 -1.5 Tesla leva a correspondentes oscilações na polarização.
 Podemos dividir multiferróicos tipo II em dois grupos: aqueles em que
ferroeletricidade é causada por um tipo particular de espiral
magnética e aqueles em que ferroeletricidade aparece mesmo para
estruturas magnéticas colineares.
Espiral Magnética
 A maior parte dos multiferróicos tipo II conhecidos até agora
pertencem a este subgrupo.
 Ferroeletricidade aparece em conjunto com uma fase magnética
espiral, principalmente do tipo ciclóide.
 Exemplo: TbMnO3
Em T1 = 41 K, a estrutura magnética é uma onda de densidade de spin
senoidal, onde todos os spins apontam em uma direção, mas o tamanho
do momento local varia periodicamente no espaço.
é na realidade um tipo de fase antiferromagnética porque o momento
total para o magneto é nulo.
Espiral Magnética
Abaixo de TN2=28K, os spins do Mn ordenam de modo que a seta dos spins
varre um ciclóide
Katsura, Nagaosa, e Balatsky, utilizando uma aproximação microscópica e
Mostovoy, utilizando uma aproximação fenomenológica, mostraram que
em uma espiral cicloidal uma polarização P aparece dada por:
P ~ rij x [Si x Sj] ~ [Q x e]
(1)
Onde rij é o vetor que conecta spins vizinhos Si e Sj, Q é o vetor de onda que
descreve o espiral, e e ~ (Si x Sj) é o eixo de rotação do spin.
Espiral Magnética
 O mecanismo microscópico desta polarização está ligado com a




interação spin-órbita.
Frustração magnética é a fonte ordenamento magnético espiral em
isolantes.
Num campo magnético externo, os momentos de subrede preferem
direcionar-se em um plano perpendicular ao campo não podendo
direcionar na direção do campo com menos custo de energia de troca
entre spins vizinhos.
Consequentemente, a aplicação de um campo externo H pode mudar o
estado de polarização do material.
A derivação de (1) assume uma simetria cristalográfica particular, tais
como cúbica simples ou tetragonal. Para outras simetrias, a relação
entre magnetização e polarização pode não ser tão direta.
Multiferróicos tipo II com estruturas magnéticas colineares
 Ferroeletricidade aparece em estruturas magnéticas colineares- isto é, todos os
momentos mgnéticos alinhados ao longo de um eixo particular- sem o
envolvimento necessário de interação spin-órbita.
 A polarização pode aparecer nestes materiais como conseqüência de trocas
pontuais porque o acoplamento magnético varia com as posições atômicas.
 Exemplo mais simples: Ca3CoMnO6 que consiste de uma cadeia
unidimensional alternada de íons Co2+ e Mn4+ . Em altas temperaturas as
distâncias entre os íons da cadeia são as mesmas, a cadeia tem simetria de
inversão e a polarizacao esta ausente. Ordenamento magnético, entretanto,
quebra a simetria de inversão: os spins formam uma estrutura magnética do
tipo ↑↑↓↓. Devido a uma troca pontual a distorção de ligacoes ferro e antiferro
(↑↑ e ↑↓) é diferente e acabamos na situação da figura 2: o material torna-se
ferroelétrico.
Explicação de alguns fenômenos: polarização em paredes de
domínios
A parede a) é chamada de parede de domínio de Bloch: nela, a magnetização
na parede gira no plano da parede, perpendicular a direção Q de um domínio a
outro.
 Caso b) parede de domínio de Neel: os spins giram no plano que contem Q,
pode-se considerar a parede de domínio de Neel como uma parte de um espiral
cicloidal. De acordo com as expressões na eq.(1) então devemos esperar que em
tal parede de domínio a polarização elétrica se formará localizada na parede e
direcionada como mostrado na figura

Parede de Bloch
Parede de Néel
Explicação de alguns fenômenos: polarização em paredes de
domínios
 Colocando um sistema com esta parede de domínio de Néel num gradiente de
campo elétrico, a parede e o dipolo elétrico associado com ela serão ou puxados
em direção a região de campo mais intenso ou empurrados para fora dela,
dependendo da orientação do dipolo. Esta observação, pode ser potencialmente
importante, pois poderia ser um meio de controlar estruturas de domínio, e
consequentemente memória magnética pela aplicação de uma voltagem em vez
de correntes elétricas.
Explicação de alguns fenômenos: ferromagneto isolante com
uma onda de spin
 Considere um ferromagneto isolante que contem uma onda de spin (um
magnom). O quadro microscópico real de uma onda de spin e mostrado na fig.
abaixo: magnom é um desvio de spin da magnetização media no tempo e com
defasagens ao longo da direção de propagação. Da fig. vemos que o quadro
instantâneo de uma onda de spin é um cone com M constante e com sua
componente perpendicular formando um ciclóide. De acordo com a eq.1, deve
aparecer numa onda de spin desta forma uma polarização elétrica
perpendicular à magnetização e ao vetor de propagação.
 Esta polarização foi descoberta para uma estrutura magnética cônica estática
em CoCr2O4.
 Se criamos uma onda de spin na forma de um pacote de onda, este pacote de
onda carregara consigo ambas, magnetização M e um momento de dipolo
elétrico d que se move com ele.
Explicação de alguns fenômenos: ferromagneto isolante com
uma onda de spin
Algumas potenciais aplicações
 Desenvolvimento de materiais magnetoelétricos (ME), pelo potencial
de aplicações em armazenamento e leitura de dados com baixo
consumo de energia e em uma nova arquitetura para spintrônica
(lógica de quatro estados, em substituição à binária, estados da forma
(P,M) com (+,-),(+,+),(-,+),(-,-)).
 Combinação de materiais magnéticos e ferroelétricos na forma de
multicamadas ou nanoestruturas auto-organizadas:
O acoplamento ocorrendo via deformação, materiais magnéticos com
alta magnetorestrição e ferroelétricos com altos coeficientes
piezoelétricos viabiliza a criação de minúsculos sensores magnéticos
com sensibilidade ainda maior que dos dispositivos de interferência
quântica supercondutores SQUIDs.
Referências
Classifying multiferroics: Mechanisms and effects,Daniel Khomskii II. Physikalisches
Institut, Universität zu Köln, Zülpicher Strasse 77, 50937 Köln, Germany Published
March 9, 2009.
 Special issue, J. Phys. Condens. Matter 20, 434201–434220 (2008).
 http://www.inovacaotecnologica.com.br
