Descubren un nuevo efecto magnetoeléctrico

La electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados: Los cables por los que circula una corriente eléctrica generan un campo magnético, los imanes giratorios en un generador producen electricidad. Sin embargo, el fenómeno es mucho más complicado: las propiedades eléctricas y magnéticas de ciertos materiales también están acopladas entre sí. Las propiedades eléctricas de algunos cristales pueden ser influenciadas por campos magnéticos, y viceversa. En este caso se habla de un "efecto magnetoeléctrico". Ello desempeña un importante papel tecnológico, por ejemplo en ciertos tipos de sensores o en la búsqueda de nuevos métodos de almacenamiento digital de datos.

Un material especial, anteriormente investigado pero del cual, a primera vista, no se esperaría ningún efecto magnetoeléctrico, ha resultado tenerlo. Esto se ha averiguado recientemente mediante los experimentos cuidadosos de una nueva investigación. De todos modos, el efecto observado en este material funciona de manera completamente diferente a lo habitual. El efecto puede ser controlado con un alto grado de sensibilidad: incluso pequeños cambios en la dirección del campo magnético pueden cambiar las propiedades eléctricas del material a un estado completamente diferente.

Esta investigación pionera sobre el nuevo efecto magnetoeléctrico la ha realizado el equipo de Andrei Pimenov y Lukas Weymann, del Instituto de Física de Estado Sólido en la Universidad Tecnológica de Viena en Austria.

"Que las propiedades eléctricas y magnéticas de un cristal estén acopladas o no depende de la simetría interna del cristal", explica Pimenov. "Si el cristal tiene un alto grado de simetría, por ejemplo, si un lado del cristal es exactamente la imagen especular del otro lado, entonces por razones teóricas no puede haber efecto magnetoeléctrico".

Esto se aplica al cristal investigado, hecho de lantano, galio, silicio y oxígeno, dopado con átomos de holmio. Tal como explica Pimenov, la estructura del cristal es tan simétrica que en realidad no debería permitir ningún efecto magnetoeléctrico. Y en el caso de los campos magnéticos débiles no hay, en efecto, ningún acoplamiento con las propiedades eléctricas del cristal. Pero si se procede a aumentar la fuerza del campo magnético, algo notable sucede: los átomos de holmio cambian su estado cuántico y ganan momento magnético. Esto rompe la simetría interna del cristal".

Lukas Weymann en un laboratorio de la Universidad Tecnológica de Viena. (Foto: TU Wien)

Desde un punto de vista puramente geométrico, el cristal sigue siendo simétrico, pero también hay que tener en cuenta el magnetismo de los átomos, y esto es lo que rompe la simetría. Por lo tanto, la polarización eléctrica del cristal puede ser cambiada con un campo magnético. "La polarización es cuando las cargas positivas y negativas del cristal se desplazan un poco unas respecto a las otras ", explica Pimenov. "Esto se puede lograr con un campo eléctrico, pero debido al efecto magnetoeléctrico también es posible lograrlo usando un campo magnético".

Cuanto más fuerte es el campo magnético, más fuerte es su efecto sobre la polarización eléctrica. "La relación entre la polarización y la fuerza del campo magnético es aproximadamente lineal, lo cual no es nada inusual", explica Pimenov. "Lo que es notable, sin embargo, es que la relación entre la polarización y la dirección del campo magnético es fuertemente no lineal. Si cambiamos un poco la dirección del campo magnético, la polarización puede trastocarse completamente. Esta es una nueva forma del efecto magnetoeléctrico que no se conocía antes". Así que una pequeña rotación puede decidir si el campo magnético puede cambiar la polarización eléctrica del cristal o no. (Fuente: NCYT de Amazings)