En 1935 el científico alemán Franz Preisach describió por primera vez la histéresis en materiales ferroeléctricos. Desde entonces, este modelo físico ha servido para la elaboración de un gran número de dispositivos. Sin embargo, ningún científico ha podido explicar por qué estos materiales se comportan como Preisach describió. Al menos no habían podido hasta ahora, pues recientemente un equipo de investigadores de las universidades de Linköping y Eindhoven ha publicado en Nature Communications un estudio en el que por fin se da una respuesta al misterio.
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Materiales ferroeléctricos y ferromagnéticos
La ferroelectricidad es un fenómeno similar al ferromagnetismo. En este último, los electrones se comportan como pequeños imanes, con un polo norte y otro sur. En cambio, en los materiales ferroeléctricos actúan como dipolos eléctricos, de modo que en vez de polo norte y sur tienen uno positivo y otro negativo.
Centrándonos en estos últimos, si no incide sobre ellos ningún campo eléctrico, estos dipolos se orientan de forma aleatoria. Sin embargo, cuando se aplica un campo eléctrico suficientemente fuerte, denominado campo crítico o coercitivo, todos se alinean con él, permaneciendo de este modo incluso si se elimina dicho campo. Para cambiar este estado, será necesario aplicar un nuevo campo igualmente intenso, pero en la dirección opuesta.
La capacidad de estos materiales para mantener los dipolos alienados en base a un campo eléctrico sin necesidad de que este incida sobre ellos se denomina histéresis y los hace idóneos para la fabricación de dispositivos de memoria regrabables, como los discos duros o los pen drives, en los que se mantiene la información incluso después de apagar el ordenador. El problema es que todo esto responde a un comportamiento ideal de los materiales ferroeléctricos. Sin embargo, en la realidad no ocurre uniformemente, ya que diferentes partes del material cambian de polarización en diferentes cambios críticos y a velocidades distintas.
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Un misterio de 80 años
En su modelo, Preisach describió estos materiales como el conjunto de un gran número de pequeños módulos, llamados histeriones, que trabajan de forma independiente. Cada uno actuaría como un material ferroeléctrico ideal, pero con su propio campo crítico (aquel en el que todos sus dipolos se alinean). Con el paso del tiempo se ha comprobado que este concepto describe a la perfección lo que pasa, pero no se ha conseguido discernir por qué ocurre.
Sin embargo, el misterio parece tener una respuesta definitiva después de la publicación de este nuevo estudio. Según lo descrito en él, las moléculas de los materiales ferroeléctricos se sitúan unas encima de otras formando pilas cilíndricas de aproximadamente un nanómetro de ancho y unos pocos nanómetros de largo. Estas pilas se corresponderían a los histeriones. Ahora bien, ¿por qué actúan como lo hacen?
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El truco estaría en que tienen diferentes tamaños e interactúan fuertemente entre sí, por estar muy empaquetadas. Además, cada una se comporta de un modo diferente si se altera el ambiente formado por el resto de pilas. Por lo tanto, para modificar a voluntad el comportamiento de los histeriones sería necesario tener en cuenta solo tres factores: su nanoestructura en particular, el número de pilas que interactúan entre sí y la forma en la que lo hacen. Ya han conseguido demostrar cómo se distribuyen los histeriones en dos materiales ferroeléctricos orgánicos, pero esperan que sea un fenómeno general que se pueda reproducir. Este estudio es un gran hallazgo para la física, no solo por resolver un misterio de ochenta años de antigüedad, sino también porque se podrían optimizar muchísimo las aplicaciones que ya se confieren a este tipo de materiales. ¿Hasta dónde se podría llegar sabiendo exactamente cómo se comportan?
