El trabajo queda apartado de los estudios sobre propiedades magnéticas y estructurales de las ortoferritas de tierras raras. Los trabajos vecinos del archivo tratan de superconductividad, grafeno, modelos de tipo cuántico y comportamiento colectivo, además de texturas magnéticas y frustraciones. En ese entorno, esta investigación destaca por medir de forma directa una magnetostricción gigantesca en monocristales voluminosos a bajas temperaturas. Hasta ahora las propiedades estructurales de las RFeO3 bajo campo magnético no se habían estudiado de manera sistemática, aunque las respuestas electromagnéticas a lo largo del eje c ya habían llamado la atención por el fuerte acoplamiento espín-órbita y las transiciones de reorientación de espín.
Los monocristales de HoFeO3, DyFeO3 y GdFeO3 se cultivaron en un horno de cuatro espejos con lámparas halógenas en atmósfera de oxígeno. La pureza de fase y la estructura se confirmaron por difracción de rayos X en un Rigaku TTRAX II y por el método de Laue. Las mediciones magnéticas se hicieron en un PPMS y un SQUID-VSM. La dilatación térmica y la magnetostricción se midieron con un dilatómmetro capacitivo de la Universidad Técnica de Viena y un puente Andeen-Hagerling AH2700A. Las muestras, de unos 1×1×1 mm³, se colocaron entre las placas de un condensador y el campo se aplicó a lo largo del eje medido. La permitividad dieléctrica se determinó con el mismo puente aplicando el campo eléctrico en la dirección elegida.
En HoFeO3, con 90 kOe y 2 K, el alargamiento relativo a lo largo del eje c supera el 60%, mientras que en DyFeO3 llega al 115-120% a 5 K. A lo largo de los ejes a y b la magnetostricción es de solo un 0,1-3% en HoFeO3 y de alrededor del 10% en DyFeO3, es decir, dos órdenes de magnitud menor. Las transiciones van acompañadas de una fuerte histéresis térmica, lo que apunta a un proceso de primer orden. El efecto magnetodieléctrico también es anisótropo: la permitividad dieléctrica a lo largo de c cae más de un 65% con 90 kOe y 35 K. En GdFeO3, donde el acoplamiento espín-órbita es débil, la magnetostricción es dos órdenes de magnitud menor y no hay transición estructural. Esto confirma el papel clave de la anisotropía de las tierras raras y de la interacción entre las subredes de Fe y R.
El trabajo se distingue de las investigaciones vecinas porque demuestra por primera vez una transición estructural de primer orden inducida por el campo magnético, con una deformación gigantesca, en monocristales voluminosos de ortoferritas. Los trabajos cercanos del archivo no abordan una magnetostricción de esta escala: estudian superconductividad, modelos cuánticos o texturas magnéticas. Aquí, en cambio, se muestra que las ortoferritas de tierras raras pueden servir de plataforma para deformaciones reversibles extremadamente grandes controladas por el campo. Esto amplía la clase de materiales con magnetostricción colosal más allá de las aleaciones con memoria de forma.
El tema puede avanzar hacia la búsqueda de análogos a temperatura ambiente con una respuesta parecida. Es posible investigar películas delgadas y heteroestructuras basadas en RFeO3 para integrarlas en dispositivos. Resulta interesante estudiar cómo influyen la presión, el campo eléctrico y la luz sobre la magnetostricción. Los modelos teóricos que relacionan la interacción espín-órbita con la inestabilidad de la red ayudarán a predecir nuevas composiciones con un efecto aún mayor.
Los resultados pueden influir en el desarrollo de actuadores magnéticos, sensores, transductores y estructuras adaptativas. También son importantes para la física de los multiferroicos y la espintrónica.
Los siguientes pasos incluyen medir la magnetostricción en otras ortoferritas de tierras raras (por ejemplo, ErFeO3, TmFeO3) y buscar composiciones cuya transición ocurra a temperaturas más altas. También hace falta un estudio estructural detallado in situ bajo campo para esclarecer el mecanismo microscópico.
El trabajo se relaciona con el problema no resuelto del vínculo entre el orden magnético y la red en óxidos fuertemente correlacionados. Sigue abierta la pregunta sobre el mecanismo microscópico de la magnetostricción gigantesca: cómo exactamente la interacción espín-órbita de los iones de tierras raras desencadena la transición estructural. Tampoco está claro por qué la transición de primer orden aparece solo a lo largo del eje c ni si es posible a temperatura ambiente.
La magnetostricción la descubrió James Joule en 1842: una barra de hierro se alargaba en millonésimas partes dentro de un campo magnético. En este nuevo trabajo la deformación es un millón de veces mayor.
En la novela de Arthur C. Clarke «Cita con Rama», una nave extraterrestre cambia su geometría bajo la acción de campos externos. Las ortoferritas de tierras raras, con su alargamiento del 120%, recuerdan a ese material «inteligente», aunque solo funcionen a temperaturas criogénicas.