Propiedades multifuncionales inducidas por la quiralidad en materiales cristalinos
No Thumbnail Available
Date
2023-10-20
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Universidad Industrial de Santander
Abstract
En física de la materia condensada y ciencia de los materiales, un compuesto en el que coexisten múltiples propiedades físicas acopladas se conoce como un material multifuncional.
Este tipo de compuestos ha llamado mucho la atención debido a la posibilidad que plantean de controlar con precisión una propiedad mediante la interacción con otra.
Por lo tanto, dichos materiales que integran y acoplan dos o más propiedades relacionadas con la ferroelectricidad, el magnetismo, el control de espín y la respuesta óptica, entre otras, son candidatos potenciales para aplicaciones modernas.
Algunas de las áreas donde los materiales multifuncionales tienen el mayor impacto son los dispositivos de recolección, transmisión y almacenamiento de energía.
Un área importante que se investiga activamente está relacionada con la mejora de la eficiencia y la reducción del tamaño de dispositivos electrónicos, junto con la reducción de su impacto en el medio ambiente.
Por ejemplo, los dispositivos de control de luz capaces de control de espín, basados en semiconductores ferroeléctricos Rashba (FERSC), se están investigando activamente debido a su potencial en espintrónica y espín-orbitrónica.
Las simetrías del sistema, así como su estructura electrónica, son claves para el desarrollo de las propiedades físicas de los materiales.
Más precisamente, la ausencia de ciertas simetrías permite ciertas propiedades; por ejemplo, la ferroelectricidad se permite al romper la simetría de inversión (IS, por sus siglas en inglés), mientras que la ruptura de la simetría de inversión temporal (TRS, por sus siglas en inglés) es la fuente del ferromagnetismo.
Además, siempre que se rompa una de estas simetrías se permiten estructuras quirales, conocidas como nodos de Weyl, dentro de la estructura de bandas electrónicas.
Tales estructuras son soluciones de la ecuación de Weyl y se asemejan a las cuasipartículas quirales sin masa de Weyl.
Los compuestos BiSb y TaAs son ejemplos de cristales en los que se obtienen fermiones de Weyl al romper el IS en un sistema con un fuerte acoplamiento espín-órbita.
Por otro lado, los ordenamientos magnéticos no colineales relacionados con la ruptura de TRS en antiferromagnetos, como YbMnBi2, también pueden desencadenar la existencia de nodos de Weyl.
En particular, romper IS y TRS simultáneamente permite, junto con los nodos de Weyl, un comportamiento multiferroico/magnetoeléctrico donde coexisten propiedades ferroeléctricas y magnéticas.
Por lo tanto, romper IS, TRS o ambos establece las condiciones requeridas para la existencia de fermiones de Weyl y propiedades físicas útiles.
Además de existir en los nodos de Weyl, la quiralidad se observa en varios ámbitos. La asimetría quiral se encuentra desde partículas subatómicas hasta galaxias, pasando por moléculas, cristales y objetos cotidianos como zapatos. Una forma de reconocer objetos quirales es mediante la imposibilidad de superponerlos en su imagen especular.
Un ejemplo del efecto de quiralidad se observa en las moléculas quirales (enantiómeros), que muestran diferentes manifestaciones en propiedades como su sabor, olor, efectividad y seguridad de los medicamentos, entre otras, dependiendo de su lateralidad.
Otro ejemplo de quiralidad se observa en antiferromagnetos no colineales, cuya quiralidad puede ser escalar o vectorial, dependiendo de la naturaleza coplanar o no coplanar de los momentos magnéticos que estos presenten.
Adicionalmente, existen cristales con grupos espaciales de simetría quiral, como los cristales quirales de teluro puro, que cristalizan en grupos de simetría quiral a derecha e izquierda; Cada uno de los cuales muestra una estructura de espín característica.
En tal caso, la quiralidad está fuertemente entrelazada con la estructura electrónica e iónica, dando como resultado propiedades únicas e interesantes como la conductividad anómala de Hall, el efecto fotogalvánico, el efecto anómalo de Nernst, la magnetorresistencia gigante y la superconductividad, entre otras. Se ha demostrado un control preciso de la polarización y la propagación de la luz en la materia quiral enantioselectiva y la interacción de la luz quiral en enantiómeros magnéticos orientados aleatoriamente débilmente interactúantes.
Por lo tanto, las condiciones de simetría quiral aparecen como un candidato atractivo para ser la clave para desbloquear y descubrir nuevas propiedades físicas en los sistemas de estado sólido.
Este trabajo se concentra en el efecto de la quiralidad en dos escenarios diferentes: primero, en antiferromagnetos quirales no colineales y segundo, en cristales con grupo espacial quiral.
En la primera parte, se estudió la interacción entre el magnetismo y la quiralidad en antiperovskitas antiferromagneticas no colineales a base de manganeso y nitruro, Mn3BN (con B un metal de transición).
Debido al ordenamiento magnético triangular frustrado sobre su red de kagome formada por los átomos de Mn a lo largo del plano (111), estos compuestos son la plataforma ideal para estudiar el magnetismo y la quiralidad.
En este caso, la quiralidad vectorial es inducida por la configuración magnética no colineal, y el acoplamiento espín-órbita es mejorado por el metal de transición B.
Los datos obtenidos tras las sustituciones sucesivas B = Ni, Pd, Pt sugirieron una dependencia entre la conductividad anómala de Hall y el acoplamiento espín-órbita. Adicionalmente, resaltaron la importancia de un correcto modelado de las correlaciones electrónicas de la mano de la propiedades estructurales.
La dispersión de fonones de Mn3NiN indicó una sensibilidad del compuesto al volumen de la estructura. Señnalando así las deformaciones de compresión y tensión como mecanismo de control sobre las propiedades físicas presentes en este compuesto.
La caracterización de la conductividad anómala de Hall en función de la deformación en Mn3NiN, dio como resultado una relación no lineal y no monótona.
Adicionalmente, se encontró una mejora de la conductividad anómala de Hall con la compresión, mientras que se produjo una rápida reducción de esta propiedad de transporte bajo tensión de tracción; lo anterior, en el rango de pequeñnas deformaciones.
Finalmente, se concluyó que la conductividad anómala de Hall surge de la curvatura de Berry en el plano (111).
La segunda parte consistió en la búsqueda de un cristal de grupo espacial quiral con magnetismo.
Durante esta fase, se encontró el compuesto ternario LaBPt2, el cual se vuelve ferromagnético al sustituir el sitio de lantano por el lantánido magnético neodimio, dando como resultado NdBPt2.
Los resultados indicaron un fuerte dominio del magnetismo quiral sobre la conductividad anómala de Hall, mientras que el efecto de la quiralidad cristalina mostró poca inferencia en dicha propiedad.
Description
Keywords
Quiralidad, Conductividad Anómala de Hall, Teoría del funcional de la densidad, Cristales, Propiedades topológicas, Sistemas fuertemente correlacionados, Magnetismo frustrado