Polarizabilidade magnetoelétrica: Uma visão geral

É um conceito fundamental no campo moderno da ciência dos materiais e explica a capacidade de determinados materiais de acoplar respostas elétricas e magnéticas em uma única estrutura. Isso significa que um campo elétrico aplicado afetaria o estado magnético do material e, inversamente, a polarização elétrica é afetada por um campo magnético. Como na maioria dos materiais, a eletricidade e o magnetismo são tratados como propriedades independentes, a capacidade de ajustar um usando o outro abre muitas perspectivas para tecnologias emergentes, especialmente aquelas que exigem controle preciso com consumo de energia muito baixo.

Em um nível microscópico, a polarização magnetoelétrica tem sua origem nas interações de dipolos elétricos com momentos magnéticos. As interações são estruturadas e direcionais, com a força do acoplamento descrita pelo tensor magnetoelétrico. Esse tensor capta a magnitude e a direção da resposta de um material e, portanto, fornece aos cientistas uma maneira quantitativa de selecionar materiais adequados para aplicações relacionadas a armazenamento de memória, detecção e dispositivos spintrônicos.

Equação-chave

Uma expressão comumente usada para descrever o comportamento magnetoelétrico é a seguinte:

P = χe ε0 E + α H

Nessa equação:

- P é a polarização elétrica,

- χₑ é a suscetibilidade elétrica,

- ε₀ é a permissividade do vácuo,

- E representa o campo elétrico aplicado.

- α é o coeficiente de acoplamento magnetoelétrico,

- H é a intensidade do campo magnético.

O termo com αH representa o efeito magnetoelétrico: o campo magnético aplicado, além disso, causa polarização elétrica. Materiais com um α mais alto apresentam acoplamento cruzado mais forte e, portanto, são de maior interesse para a engenharia de dispositivos avançados.

Histórico e desenvolvimento da pesquisa magnetoelétrica

Embora a conexão entre eletricidade e magnetismo seja conhecida desde o século XIX, foi somente em meados do século XX que começaram as pesquisas sobre materiais que exibem um efeito magnetoelétrico linear direto. Landau e Lifshitz forneceram a base teórica em 1959 para indicar que certas simetrias de cristais permitiriam o acoplamento cruzado entre campos elétricos e magnéticos. Por fim, uma confirmação experimental em 1960 por Dzyaloshinskii, que previu o efeito no Cr₂O₃, foi observada experimentalmente logo em seguida por Rado e Folen.

Essa descoberta gerou uma enxurrada de atividades na busca por respostas magnetoelétricas novas, mais fortes e mais ajustáveis. Durante as décadas de 1980 e 1990, a pesquisa foi além dos óxidos antiferromagnéticos simples e passou a incluir estudos sobre perovskitas complexas, manganitas de terras raras e compostos em camadas. Foi no início dos anos 2000 que os multiferróicos - materiais como o BiFeO₃ que têm ordenação magnética e ferroelétrica colinear - foram redescobertos. Esses multiferróicos ampliaram drasticamente a possibilidade de aplicações em temperatura ambiente.

Dispositivos eficientes em termos de energia, computação neuromórfica, atuadores em nanoescala e novas arquiteturas spintrônicas estão impulsionando as demandas de pesquisa magnetoelétrica atualmente. As recentes descobertas envolvem materiais topológicos, heteroestruturas artificiais e filmes finos com engenharia de tensão que exibem um comportamento magnetoelétrico ainda mais exótico. O que começou como uma curiosidade teórica tornou-se um tópico central da física da matéria condensada e da eletrônica de última geração.

Magnetoelétrico vs. Eletromagnético: A diferença

O efeito magnetoelétrico tem sido frequentemente confundido com fenômenos eletromagnéticos gerais, mas os dois são nitidamente diferenciados de forma significativa. O eletromagnetismo descreve como os campos elétricos e magnéticos influenciam uns aos outros no espaço, conforme codificado nas equações de Maxwell. O acoplamento entre campos elétricos e magnéticos variáveis é universal e ocorre em todos os meios, inclusive no espaço vazio.

Embora o comportamento magnetoelétrico seja uma propriedade relativa aos materiais, essa magnetoeletricidade ocorre somente em sólidos em que as ordens elétrica e magnética coexistem ou interagem por meio da estrutura cristalina. Nesse caso, o acoplamento é uma consequência não de uma lei da natureza, mas da quebra de simetria, das interações spin-órbita ou das distorções da estrutura. Em outras palavras, todos os materiais obedecem às leis do eletromagnetismo, mas apenas alguns possuem acoplamento magnetoelétrico intrínseco.

Essa é uma diferença essencial que entra em jogo nas aplicações. Embora as ondas eletromagnéticas estabeleçam campos no ar ou no vácuo, a polarizabilidade magnetoelétrica permite que os engenheiros manipulem as propriedades dos materiais: por exemplo, alternar a magnetização com tensão em vez de corrente. O magnetismo controlado por tensão reduz enormemente o consumo de energia, o que é um dos principais motivos para a integração de materiais magnetoelétricos em dispositivos lógicos e de memória de baixa energia.

Exemplos de materiais magnetoelétricos

Vários materiais que foram estudados em detalhes apresentam forte polarização magnetoelétrica:

• Cr₂O₃ (óxido de cromo) - O material magnetoelétrico original, estável e antiferromagnético.
• BiFeO₃ é um multiferróico de temperatura ambiente com ordem ferroelétrica e antiferromagnética coexistentes.
• TbMnO3 é uma manganita de térbio que tem estruturas magnéticas complexas, dando origem a interações magnetoelétricas ajustáveis.

Para saber mais sobre materiais magnetoelétricos, visite Stanford Advanced Materials (SAM).

Aplicações da polarizabilidade magnetoelétrica

O valor dos materiais magnetoelétricos decorre da grande variedade de tecnologias possibilitadas pelo acoplamento direto entre respostas elétricas e magnéticas. O sensoriamento e a atuação dependem do controle extremamente sensível do estado magnético por meio de campos elétricos para detectar campos ou movimentos mecânicos. A memória não volátil emprega a gravação magnetoelétrica como substituta do armazenamento usando campos magnéticos, o que pode reduzir o consumo de energia com retenção constante de informações. Os materiais magnetoelétricos em spintrônica basicamente permitem a manipulação do transporte de spins com tensão em vez de corrente, o que ajuda a melhorar a eficiência e a reduzir a dissipação de calor.

Com a redução das arquiteturas de dispositivos e o aumento das demandas de eficiência, os materiais com forte acoplamento magnetoelétrico tornaram-se parte integrante dos sistemas eletrônicos da próxima geração.

Perguntas frequentes

O que é polarizabilidade magnetoelétrica?

É a propriedade de determinados materiais que permite que os campos elétricos induzam a polarização magnética e que os campos magnéticos induzam a polarização elétrica.

Por que a polarizabilidade magnetoelétrica é importante?

As aplicações envolvem controle de estado magnético de baixa energia, o que é essencial em sensores, dispositivos de memória e tecnologias spintrônicas.

Todos os materiais apresentam comportamento magnetoelétrico?

Não, somente os materiais magnetoelétricos ou multiferróicos que têm simetria e ordenação cristalina adequadas podem apresentar esse efeito.

Como a polarizabilidade magnetoelétrica é medida?

Os pesquisadores aplicam campos elétricos e magnéticos controlados e medem a polarização ou magnetização induzida.

Quais são os problemas relacionados às aplicações práticas?

Os principais desafios incluem encontrar materiais com forte acoplamento magnetoelétrico à temperatura ambiente e integrar esses materiais às arquiteturas de dispositivos existentes.