Efeito magnetoelétrico - Magnetoelectric effect

Em sua forma mais geral, o efeito magnetoelétrico (ME) denota qualquer acoplamento entre as propriedades magnéticas e elétricas de um material. O primeiro exemplo de tal efeito foi descrito por Wilhelm Röntgen em 1888, que descobriu que um material dielétrico movendo-se através de um campo elétrico se tornaria magnetizado. Um material onde tal acoplamento está intrinsecamente presente é chamado de magnetoelétrico .

Historicamente, o primeiro e mais estudado exemplo desse efeito é o efeito magnetoelétrico linear . Matematicamente, enquanto a suscetibilidade elétrica e a suscetibilidade magnética descrevem as respostas de polarização elétrica e magnética a um elétrico, resp. um campo magnético, há também a possibilidade de uma susceptibilidade magnetoelétrica que descreve uma resposta linear da polarização elétrica a um campo magnético e vice-versa: ${\ displaystyle \ chi ^ {e}}$ ${\ displaystyle \ chi ^ {v}}$ ${\ displaystyle \ alpha _ {ij}}$

{\ displaystyle P_ {i} = \ sum _ {j} \ epsilon _ {0} \ chi _ {ij} ^ {e} E_ {j} + \ sum _ {j} \ alpha _ {ij} H_ {j }}

{\ displaystyle \ mu _ {0} M_ {i} = \ sum _ {j} \ mu _ {0} \ chi _ {ij} ^ {v} H_ {j} + \ sum _ {j} \ alpha _ {ij} E_ {j},}

O tensor deve ser o mesmo em ambas as equações. Aqui, P é a polarização elétrica, M a magnetização, E e H os campos elétrico e magnético. ${\ displaystyle \ alpha}$

A unidade SI de é (segundos por metro), que pode ser convertida para a unidade prática por: ${\ displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle {\ frac {s} {m}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {V} {cm ~ Oe}}}$

${\ displaystyle \ alpha \ left [{\ frac {s} {m}} \ right] = \ varepsilon _ {r} \ varepsilon _ {0} \ cdot {\ frac {4 \ pi} {1000}} {\ frac {Oe} {A / m}} \ cdot 100 ~ {\ frac {cm} {m}} \ cdot \ alpha \ left [{\ frac {V} {cm ~ Oe}} \ right] = 1,113 \ cdot 10 ^ {- 11} \ varepsilon _ {r} \ cdot \ alpha \ left [{\ frac {V} {cm ~ Oe}} \ right]}$

Para a unidade CGS (assumindo unidades gaussianas racionalizadas ):

${\ displaystyle \ alpha \ left [unitless \ right] = c \ cdot \ alpha \ left [{\ frac {s} {m}} \ right] / (4 \ pi) = 2,386 \ cdot 10 ^ {7} \ alpha \ left [{\ frac {s} {m}} \ right]}$

onde está a velocidade da luz no vácuo. ${\ displaystyle c = 2.998 \ cdot 10 ^ {8} ~ m / s}$

O primeiro material onde um efeito magnetoelétrico linear intrínseco foi previsto teoricamente e confirmado experimentalmente é o Cr ₂ O ₃ . Este é um material monofásico. Os multiferróicos são outro exemplo de materiais monofásicos que podem exibir um efeito magnetoelétrico geral se suas ordens magnética e elétrica forem acopladas. Os materiais compostos são outra forma de realizar a magnetoelétrica. Lá, a ideia é combinar, digamos, um material magnetostritivo e um piezoelétrico . Esses dois materiais interagem por deformação, levando a um acoplamento entre as propriedades magnéticas e elétricas do material composto.

Algumas aplicações promissoras do efeito ME são a detecção sensível de campos magnéticos, dispositivos lógicos avançados e filtros de micro-ondas sintonizáveis.

História

O primeiro exemplo de um efeito magnetoelétrico foi discutido em 1888 por Wilhelm Röntgen , que mostrou que um material dielétrico movendo-se através de um campo elétrico se tornaria magnetizado. A possibilidade de um efeito magnetoelétrico intrínseco em um material (imóvel) foi conjecturada por P. Curie em 1894, enquanto o termo "magnetoelétrico" foi cunhado por P. Debye em 1926. Uma formulação matemática do efeito magnetoelétrico linear foi incluída em A famosa série de livros de LD Landau e E. Lifshitz sobre física teórica. Somente em 1959, I. Dzyaloshinskii, usando um elegante argumento de simetria, derivou a forma de um acoplamento magnetoelétrico linear em Cr ₂ O ₃ . A confirmação experimental veio poucos meses depois, quando o efeito foi observado pela primeira vez por D. Astrov. O entusiasmo geral que se seguiu à medição do efeito magnetoelétrico linear levou à organização da série de conferências MEIPIC (Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals). Entre a previsão de I. Dzialoshinskii e a primeira edição do MEIPIC (1973), foram encontrados mais de 80 compostos magnetoelétricos lineares. Recentemente, o progresso tecnológico e teórico, impulsionado em grande parte pelo advento de materiais multiferróicos, desencadeou um renascimento desses estudos e o efeito magnetoelétrico ainda é fortemente investigado.

Fenomenologia

Se o acoplamento entre as propriedades magnéticas e elétricas for analítico, o efeito magnetoelétrico pode ser descrito por uma expansão da energia livre como uma série de potências nos campos elétrico e magnético e : ${\ displaystyle E}$ ${\ displaystyle H}$

{\ displaystyle {\ begin {alinhados} F (E, H) & = F_ {0} -P_ {i} ^ {s} E_ {i} - \ mu _ {0} M_ {i} ^ {s} H_ {i} - {\ frac {1} {2}} \ epsilon _ {0} \ chi _ {ij} ^ {e} E_ {i} E_ {j} - {\ frac {1} {2}} \ mu _ {0} \ chi _ {ij} ^ {v} H_ {i} H_ {j} \\ & \ qquad - \ alpha _ {ij} E_ {i} H_ {j} - {\ frac {1} {2}} \ beta _ {ijk} E_ {i} H_ {j} H_ {k} - {\ frac {1} {2}} \ gamma _ {ijk} H_ {i} E_ {j} E_ {k } + \ ldots \ end {alinhados}}}

Diferenciar a energia livre dará então a polarização elétrica e a magnetização . Aqui, e estão a polarização estática, resp. magnetização do material, enquanto e são os elétricos, resp. suscetibilidades magnéticas. O tensor descreve o efeito magnetoelétrico linear, que corresponde a uma polarização induzida linearmente por um campo magnético e vice-versa. Os termos mais altos com coeficientes e descrevem efeitos quadráticos. Por exemplo, o tensor descreve um efeito magnetoelétrico linear que é, por sua vez, induzido por um campo elétrico. ${\ displaystyle P_ {i} = - {\ frac {\ parcial F} {\ parcial E_ {i}}}}$ ${\ displaystyle M_ {i} = - {\ frac {1} {\ mu _ {0}}} {\ frac {\ partial F} {\ partial H_ {i}}}}$ ${\ displaystyle P ^ {s}}$ ${\ displaystyle M ^ {s}}$ ${\ displaystyle \ chi ^ {e}}$ ${\ displaystyle \ chi ^ {v}}$ ${\ displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle \ gamma}$ ${\ displaystyle \ gamma}$

Os termos possíveis que aparecem na expansão acima são restringidos por simetrias do material. Mais notavelmente, o tensor deve ser anti - simétrico sob simetria de reversão de tempo . Portanto, o efeito magnetoelétrico linear só pode ocorrer se a simetria de reversão do tempo for explicitamente quebrada, por exemplo, pelo movimento explícito no exemplo de Röntgens, ou por uma ordem magnética intrínseca no material. Em contraste, o tensor pode não desaparecer em materiais simétricos de reversão no tempo. ${\ displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle \ beta}$

Origem Microscópica

Existem várias maneiras pelas quais um efeito magnetoelétrico pode surgir microscopicamente em um material.

Anisotropia de íon único

Em cristais, o acoplamento spin-órbita é responsável pela anisotropia magnetocristalina de íon único, que determina eixos preferenciais para a orientação dos spins (como eixos fáceis). Um campo elétrico externo pode alterar a simetria local vista pelos íons magnéticos e afetar tanto a força da anisotropia quanto a direção dos eixos fáceis. Assim, a anisotropia de íon único pode acoplar um campo elétrico externo a spins de compostos ordenados magneticamente.

Estrição de troca simétrica

A principal interação entre spins de íons de metais de transição em sólidos é geralmente fornecida por superexchange , também chamada de troca simétrica . Essa interação depende de detalhes da estrutura cristalina, como o comprimento da ligação entre os íons magnéticos e o ângulo formado pelas ligações entre os íons magnéticos e ligantes. Em isoladores magnéticos, geralmente é o principal mecanismo de ordenação magnética e, dependendo das ocupações orbitais e ângulos de ligação, pode levar a interações ferro ou antiferromagnéticas. Como a força da troca simétrica depende da posição relativa dos íons, ela acopla as orientações de spin à estrutura da rede. O acoplamento de spins a uma distorção coletiva com um dipolo elétrico líquido pode ocorrer se a ordem magnética quebrar a simetria de inversão. Assim, a troca simétrica pode fornecer uma alça para controlar as propriedades magnéticas por meio de um campo elétrico externo.

Efeito heteroestruturado magnetoelétrico impulsionado por tensão

Como existem materiais que acoplam deformação à polarização elétrica (piezoelétricos, eletrostritivos e ferroelétricos) e que acoplam deformação à magnetização ( materiais magnetostritivos / magnetoelásticos / ferromagnéticos), é possível acoplar propriedades magnéticas e elétricas indiretamente criando compostos desses materiais que são fortemente ligado para que as cepas sejam transferidas de um para o outro.

A estratégia de filme fino permite a obtenção de acoplamento multifacial multifacial através de um canal mecânico em heteroestruturas consistindo em um componente magnetoelástico e um piezoelétrico. Este tipo de heteroestrutura é composto por um filme fino magnetoelástico epitaxial crescido sobre um substrato piezoelétrico. Para este sistema, a aplicação de um campo magnético irá induzir uma mudança na dimensão do filme magnetoelástico . Este processo, denominado magnetostrição, irá alterar as condições de deformação residual no filme magnetoelástico, que pode ser transferido através da interface para o substrato piezoelétrico. Consequentemente, uma polarização é introduzida no substrato através do processo piezoelétrico.

O efeito geral é que a polarização do substrato ferroelétrico é manipulada pela aplicação de um campo magnético, que é o efeito magnetoelétrico desejado (o inverso também é possível). Nesse caso, a interface desempenha um papel importante na mediação das respostas de um componente a outro, realizando o acoplamento magnetoelétrico. Para um acoplamento eficiente, uma interface de alta qualidade com ótimo estado de deformação é desejada. Diante desse interesse, técnicas avançadas de deposição têm sido aplicadas para sintetizar esses tipos de heteroestruturas de filme fino. Demonstrou-se que a epitaxia de feixe molecular é capaz de depositar estruturas que consistem em componentes piezoelétricos e magnetostritivos. Os sistemas de materiais estudados incluíram ferrita de cobalto, magnetita, SrTiO3, BaTiO3, PMNT.

Efeito flexomagnetoelétrico

A ferroeletricidade magnética também é causada pela interação magnetoelétrica não homogênea. Este efeito aparece devido ao acoplamento entre parâmetros de ordem não homogêneos. Também foi chamado de efeito flexomagnetoelétrico. Normalmente é descrito usando o invariante de Lifshitz (isto é, termo de acoplamento de constante única). Foi mostrado que no caso geral do cristal hexoctaédrico cúbico a abordagem das quatro constantes fenomenológicas está correta. O efeito flexomagnetoelétrico aparece em estruturas multiferróicas espirais ou micromagnéticas como paredes de domínio e vórtices magnéticos.

Ferroeletricidade desenvolvida a partir de estrutura micromagnética pode aparecer em qualquer material magnético até mesmo no centrosimétrico. A construção da classificação de simetria das paredes do domínio leva à determinação do tipo de rotação da polarização elétrica em volume de qualquer parede do domínio magnético. A classificação de simetria existente das paredes do domínio magnético foi aplicada para previsões da distribuição espacial da polarização elétrica em seus volumes. As previsões para quase todos os grupos de simetria estão em conformidade com a fenomenologia em que a magnetização não homogênea se acopla à polarização homogênea . A sinergia total entre simetria e teoria fenomenológica aparece se os termos de energia com derivados espaciais de polarização elétrica forem levados em consideração.

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