Inducción/Supresión de Ferromagnetismo Mediante la Aplicación de Voltaje con Electrolitos

En plena era digital, la sociedad actual se caracteriza por generar y gestionar enromes cantidades de información. El consumo energético asociado a las tecnologías de la información y la comunicación alcanzaba, ya en 2012, el 4.7% del total de energía producida en el mundo [1]. Con el incremento del volumen total de información generada, el cual según la revista FORBES alcanzará los 180 billones de gigabytes en 2025 [2], es lógico esperar que la fracción total de energía consumida se incremente notablemente. En una reciente publicación, Andrae y Elder estiman que este incremento se situará entre el 23% y el 51%, en el peor de los casos [3].

GEFES copy

 

Es por ello que el desarrollo de tecnologías de bajo consumo se hace cada vez más necesario. De las diferentes propuestas para abordar esta problemática, la manipulación magnética a través de campos eléctricos se erige como una de las más prometedoras. El interés de esta metodología se debe a que reduce drásticamente el uso de corriente eléctrica y, en consecuencia, minimiza las pérdidas de energía debido al efecto Joule.

Cuando un material magnético es sometido a un campo eléctrico, diferentes fenomenologías pueden ocurrir. Por ejemplo, en heteroestructuras formadas por un aislante y una capa ferromagnética, en aplicar un potencial eléctrico, carga electrostática se acumula en la interfaz entre los dos materiales y ésta, a su vez, altera las propiedades magnéticas de la capa ferromagnética [4]. Sin embargo, la alteración de la estructura electrónica de la capa magnética sólo ocurre, en metales, en el primer nanómetro debido a la corta penetración de campos eléctricos en estos materiales (caracterizado por la longitud de apantallamiento de Thomas-Fermi). Es por ello que estos efectos son sólo observables en capas ultrafinas (grosores por debajo de 5 nm). Cuando el material aislante, asimismo es piezoeléctrico (como en el caso de los materiales ferroeléctricos), además de la acumulación de carga puede haber alteración de las propiedades magnéticas de la capa debido a efectos magneto-elásticos. Estos últimos suelen gobernar en capas magnéticas cuyo grosor total sea mayor de una decena de nanómetros.

Más recientemente se ha observado que, bajo la aplicación de un campo eléctrico, se pueden alterar las propiedades magnéticas de una capa debido a una difusión controlada de oxígeno. Para ello, se utilizan materiales cuya movilidad iónica es especialmente notable, como lo son el óxido de hafnio o el óxido de gadolinio [5]. Este método, contrario a la acumulación de carga o a los efectos magneto-elásticos, permite modificaciones no volátiles, es decir, después de retirar el campo eléctrico el material magnético no recupera el estado inicial. Pese a lo prometedor del método, en la mayoría de casos, los experimentos se realizan a temperaturas por encima de la temperatura ambiente para incrementar la cinética de los procesos de difusión, que es de por sí bastante lenta.

En un trabajo recientemente publicado en la revista ACS Nano, liderado por investigadores de la Universidad Autónoma de Barcelona (Alberto Quintana, Enric Menéndez, Eva Pellicer y Jordi Sort, éste último también investigador ICREA), y en colaboración con varios grupos nacionales e internacionales, se demuestra la posibilidad de inducir ferromagnetismo a temperatura ambiente en una capa de 100 nm de Co3O4 (paramagnética a temperatura ambiente y antiferromagnética a bajas T) debido a la difusión controlada del propio oxígeno presente en el óxido; i.e. sin necesidad de utilizar donadores/sumideros de oxígeno como el óxido de hafnio o el de gadolinio; mediante aplicación de voltaje a través de un electrolito. Los autores sacan provecho de la formación de una doble capa eléctrica, cuyo reducido espesor (~1nm), permite obtener campos eléctricos por encima de 100 MV/cm. El proceso demuestra ser reversible a nivel magnético, estructural y composicional a temperatura ambiente. Además, los autores demuestran la complejidad del proceso de difusión mediante la caracterización de los defectos presentes en el material mediante la utilización de técnicas como la espectroscopia de vida media de aniquilación de positrones.

Alberto Quintana, Enric Menéndez, Maciej O. Liedke, Maik Butterling, Andreas Wagner, Veronica Sireus, Pau Torruella, Sònia Estradé, Francesca Peiró, Jolien Dendooven, Christophe Detavernier, Peyton D. Murray, Dustin Allen Gilbert, Kai Liu, Eva Pellicer, Josep Nogués, and Jordi Sort ACS Nano 2018,  12, 10, 10291-10300.

[1]          The EINS Consortium. Overview of ICT energy consumption. European Network of Excellence in    Internet Science. February 2013. http://ec.europa.eu/research/participants/data/ref/fp7/154012/c-wp-201302_en.pdf (accedido en Noviembre 2018)

[2]          https://www.forbes.com/sites/gilpress/2017/01/20/6-predictions-for-the-203-billion-big-data-analytics-market/#7cb79d2b2083 (accedido en Noviembre 2018)

[3] Andrae, A.S.G.; Edler, T. On Global Electricity Usage of Communication Technology: Trends to 2030. Challenges 2015, 6, 117-157.

[4] Ohno, H.; Chiba, D.; Matsukura, F.; Omiya, T.; Abe, E.; Dietl, T.; Ohno, Y.; Ohtani, K. Electric Field Control of Magnetism. Nature 2000, 408, 944-946.

[5] Bauer, U.; Yao, L.; Tan, A. J.; Agrawal, P.; Emori, S.; Tuller, H. L.; van Dijken, S.; Beach, G. S. D. Magneto-Ionic control of interfacial magnetism. Nature Materials, 2015, 14, 174–181.