Un supercristal en una superred irradiada con pulsos ópticos ultracortos

Una superred es una estructura formada por capas alternas de dos materiales. Un supercristal es una estructura de tipo cristalina en un cristal cuya supercelda unidad está formada por muchas celdas unidad. Para fabricar un supercristal se puede irradiar una superred de forma adecuada. Se publica en Nature Materials que la irradiación de una superred de PbTiO3/SrTiO3 con pulsos ultracortos (900 fs) de luz violeta (400 nm) produce un supercristal con propiedades ferroelásticas, ferroeléctricas y vórtices polares. El estado tipo supercristal es robusto a temperatura ambiente (permanece inalterado al menos durante un año), aunque se puede destruir al calentarlo por encima de una temperatura crítica de 470 K. Así podría tener aplicaciones donde se requiera un material que combine ferroelectricidad y ferroelasticidad.

El artículo es V. A. Stoica, N. Laanait, …, J. W. Freeland, «Optical creation of a supercrystal with three-dimensional nanoscale periodicity,» Nature Materials 18: 377-383 (18 Mar 2019), doi: 10.1038/s41563-019-0311-x; más información divulgativa en J. M. Gregg, «Lighting up the new order,» Nature Materials 18: 304-306 (18 Mar 2019), doi: 10.1038/s41563-019-0322-7, y Rachel Won, «Supercrystal creation,» Nature Photonics 13: 369 (23 May 2019), doi: 10.1038/s41566-019-0460-0.

La superred se ha crecido encima de un sustrato de escandato de disprosio (DSO, DyScO3) con capas alternas de titanato de plomo (PTO, PbTiO3), un material ferroeléctrico, y de titanato de estroncio (STO, SrTiO3), un material ferroeléctrico incipiente (o paraeléctrico). Recuerda que en un material dieléctrico la polarización depende linealmente del campo eléctrico aplicado; en un material paraeléctrico esta dependencia es no lineal (la pendiente de la polarización depende del campo eléctrico); y en un material ferroeléctrico la polarización no lineal presenta una curva de histéresis (el comportamiento paraeléctrico tiene un efecto de memoria siendo diferente si el campo eléctrico crece o decrece). Los materiales ferroeléctricos tienen una temperatura máxima, llamada temperatura de Curie, por encima de la cual se comportan como paraeléctricos.

El sustrato de DSO introduce un conflicto en la orientación de los dipolos eléctricos en la heteroestructura; favorece que los dipolos de PTO se orienten verticalmente y que los dipolos de STO se orienten horizontalmente. En ausencia de cargas móviles este estado de los dipolos tiene un alto coste energético, luego dicho estado tiende a frustrarse. La competencia entre la energía electrostática y la elástica conduce a la aparición de una superestructura periódica que compense el conflicto energético entre las grandes escalas y las pequeñas escalas. Como muestra la figura que abre esta entrada, aparecen dos posibles estados en las capas de PTO: la fase FE formada por franjas ferroeléctricas y ferroelásticas con un ángulo de 90º entre ellas, y la fase V formada por vórtices dipolares que alternan el sentido horario y el antihorario que presentan la estructura de un supercristal. La irradiación con luz (400 nm) permite la redistribución completa de las cargas transformando la fase FE en la V y el incremento de la temperatura destruye dicha distribución de cargas transformando la fase V en la FE.

Las propiedades de la nueva fase supercristalina han sido estudiadas usando difracción de rayos X. Sin entrar en los detalles de su caracterización, lo más relevante del nuevo supercristal es que conviven propiedades ferroeléctricas y ferroelásticas; así podría tener aplicaciones donde se requieran ambas propiedades en el mismo material. Pero me gustaría destacar que este supercristal es una fase de la materia que no aparecería en un diagrama de fases típico que representa los cambios de fase en función de la temperatura; la irradiación por luz azul (en este caso) o ultravioleta en otros no se suele considerar en los diagramas de fase, lo que apunta a que podrían desvelarse muchos nuevos materiales fotoinducidos de gran interés si se incorpora la irradiación como nuevo parámetro en la búsqueda de nuevos materiales. Lo que nos depare el futuro en este campo promete muchas sorpresas.



2 Comentarios

  1. Perdón por la pregunta, es mi ignorancia supina, ¿qué aplicaciones tiene? ¿para qué se podría usar en la vida cotidiana? o ¿es investigación básica que en un futuro podrá aplicarse a fines concretos?

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 26 mayo, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Óptica • Physics • Science
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