Controlando el equilibrio de fases con muy distintas propiedades en superredes de óxidos mediante campos eléctricos

La búsqueda de materiales multifuncionales en las que propiedades muy diversas coexisten en un mismo sistema y pueden ser activadas a voluntad a través de pequeñas perturbaciones constituyen una parte fundamental de la Física del Estado Sólido actual. Un claro ejemplo de ello es el enorme interés existente en la magnetorresistencia colosal donde la conductividad de un material puede cambiar en varios órdenes de magnitud mediante la aplicación de un campo magnético.

Recientemente [1], un grupo experimental de la Universidad de Berkeley y un conjunto de físicos teóricos españoles repartidos entre la Queen’s University en Belfast (Pablo Aguado-Puente), el Luxembourg Institute of Science and Technology (Jorge Íñiguez) y la Universidad de Cantabria (Javier Junquera y Pablo García-Fernández) han encontrado que algo parecido es lo que pasa cuando combinamos dos óxidos (PbTiO3 y SrTiO3) en una superred. Si consideramos cada uno de estos óxidos 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. En estas interfases se pueden encontrar dos estructuras que están prácticamente en equilibrio: en una de ellas, la fase ferroeléctrica, se puede considerar que los dipolos eléctricos situados en cada una de las celdas se colocan a lo largo de una determinada dirección en un plano horizontal y dan lugar a una polarización reversible. En la otra, denominada fase de vórtice, los dipolos apuntan en un plano vertical pero su dirección gira lentamente formando un vórtice similar en su forma a las imágenes de los huracanes o de las galaxias espirales. Cuando la estructura se crece sobre un substrato adecuado y dependiendo del grosor de las capas de SrTiO3 y PbTiO3 la energía de estas dos fases puede ser muy similar y ambas coexisten en un mismo material. Sin embargo es posible inclinar el equilibrio hacia la fase ferroeléctrica o hacia la fase vórtice mediante la aplicación de un pequeño campo eléctrico. De este modo se puede producir un cambio  drástico en las propiedades del material ya que la fase ferroeléctrica es piezoeléctrica, capaz de convertir señales mecánicas en eléctricas mientras que la fase vórtice reacciona de forma distinta cuando interacciona con la luz. Por tanto nos encontramos ante un material multifuncional que, además, muestra una enorme susceptibilidad: pequeñas variaciones externas producen cambios gigantes en las respuestas piezoeléctricas u ópticas.

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Aunque aún es temprano para poder anticipar posibles aplicaciones es claro el paralelismo con la magnetoresistencia colosal donde 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 [2] implementado entre la Universidad de Cantabria 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.

[1] A. R. Damodaran, J. D. Clarkson, Z. Hong, H. Liu, A. K. Yadav, C. T. Nelson, S.-L. Hsu, M. R. McCarter, K.-D. Park, V. Kravtsov, A. Farhan, Y. Dong, Z. Cai, H. Zhou, P. Aguado-Puente, P. García-Fernández, J. Íñiguez, J. Junquera, A. Scholl, M. B. Raschke, L.-Q. Chen, D. D. Fong, R. Ramesh and L. W. Martin “Phase coexistence and electric-field control of toroidal order in oxide superlattices” aceptado en Nature Materials (2017). DOI: 10.1038/nmat4951

[2] P. García-Fernández, J. C. Wojdel, J. Íñiguez and J. Junquera “Second-principles method for materials simulations including electron and lattice degrees of freedom” Physical Review B 93, 195137 (2016)