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La UC y la Universidad de Berkeley publican una investigación sobre nuevos materiales multifuncionales en Nature Materials

El Grupo de Física Teórica de la Materia Condensada de la UC descubre un material donde coexisten fases ferroeléctricas y de tipo vórtice

La búsqueda de materiales multifuncionales en las que propiedades muy diversas coexistan en un mismo sistema constituye una parte fundamental de la moderna Física del Estado Sólido. Esto es lo que ha conseguido el grupo de Física Teórica de la Materia Condensada de la Universidad de Cantabria (UC), en una investigación que acaba de ser publicada en la prestigiosa revista Nature Materials.
El trabajo es una colaboración teórico-experimental, en la que la parte teórica ha sido liderada por el investigador Pablo García Fernández y el profesor Javier Junquera, de la UC, mientras que la parte experimental se ha realizado casi en su totalidad por la Universidad de Berkeley (California, EE.UU.), la segunda más prestigiosa del mundo en Física, según el último ranking de Universidades de Shanghai.

Se trata del primer fruto de la colaboración entre los grupos de la UC y Berkeley, resultado de las estancias del profesor Javier Junquera en la universidad californiana como Profesor Invitado en los veranos de 2016 y 2017.

Según se explica en el artículo, las propiedades de un material están profundamente ligadas a su estructura, es decir, a cómo se colocan los átomos en el espacio. En ocasiones, diferentes estructuras compiten entre sí en un sutil equilibrio. Podríamos comparar la situación con un balancín de un parque infantil. Si dos niños del mismo peso se colocan en sus extremos, el balancín se encontrará en una posición de equilibrio horizontal. Pero una pequeña variación, desde un ligero movimiento de uno de los niños hasta una ráfaga de aire, podría hacer inclinar la balanza a favor de uno de ellos.

Algo parecido es lo que pasa cuando combinamos dos óxidos (PbTiO3 y SrTiO3). Si consideramos cada uno de éstos como piezas de lego se podrían fabricar diferentes construcciones (interfases) dependiendo del orden de las piezas y de cuántas de cada una de ellas ponemos.

Siguiendo la analogía con el balancín, aquí los niños son dos fases diferentes que se pueden encontrar en las interfases: en una de ellas hay dipolos (pequeñas flechas) que apuntan en una determinada dirección en un plano horizontal (fase ferroeléctrica).
En la otra, los dipolos apuntan en un plano vertical pero su dirección gira lentamente formando un remolino, similar en su forma a las imágenes de los huracanes o de las galaxias espirales (fase vórtice). Dependiendo de la composición de la interfase (de cuántas piezas de lego se combinen) la energía de estas dos fases puede ser muy similar y ambas coexisten en un mismo material.
Sin embargo, con un pequeño estímulo externo (con un pequeño campo eléctrico o con un aumento en la temperatura) podemos hacer que todo el sistema se incline hacia la fase ferroeléctrica o hacia la denominada vórtice. Que la balanza caiga de un lado o de otro produce un cambio extremadamente drástico en las propiedades del material.
Por ejemplo, la fase ferroeléctrica es piezoeléctrica, capaz de convertir señales mecánicas en eléctricas. Pero la fase vórtice reacciona de forma distinta a su interacción con la luz. Como ambas repuestas se dan en el mismo material (nada ha cambiado en su composición) nos encontramos ante el ejemplo ansiado de un material multifuncional. Además, la susceptibilidad del material es enorme: pequeñas variaciones externas producen cambios gigantes en las respuestas piezoeléctricas u ópticas.

POSIBLES APLICACIONES

Aunque aún es temprano para poder anticipar posibles aplicaciones, sí se pueden establecer paralelismos con otras situaciones ya observadas en la Física de Materiales. Por ejemplo, con el de la magnetoresistencia colosal en el que la aplicación de un pequeño campo magnético cambia la resistencia eléctrica de forma substancial. Este efecto es la base de todos los discos duros que usamos en nuestros dispositivos electrónicos y le valió el premio Nobel de Física a Peter Grumberg y Albert Fert en 2007.

El acuerdo entre las predicciones teóricas y las medidas experimentales es excelente y supone un refuerzo al nuevo método de simulación desde segundos-principios implementado entre la UC y el Luxembourg Institute of Science and Technology. El nuevo código, denominado SCALE-UP, permite la simulación de un material con un número de átomos sin precedentes en la celda de simulación (del entorno de 1000 veces más grande del que se puede tratar con métodos basados en la teoría del funcional de la densidad). Además, los cálculos se realizan en condiciones realistas de temperatura o campo eléctrico, algo impensable en el marco de las simulaciones atomísticas desde primeros-principios.

La revista Nature Materials es una de las más prestigiosas en el ámbito de la Física de Materiales. El número de artículos publicados en esta revista es uno de los factores determinantes para determinar la posición de una universidad en el popular ranking de Shanghai.

Palabras clave: Física y Matemáticas; UC; CCI