Cuantificación de las interacciones de intercambio en la escala atómica
El equipo de investigación de Kiel y Nijmegen estudia la estructura espiral magnética
Hoy en día, hay un gran esfuerzo por reducir la memoria magnética hacia bits de tamaño nanométrico para, en última instancia, almacenar la información en un solo átomo magnético. Esto hace necesario tomar imágenes de las propiedades magnéticas en la escala atómica. En el corazón del magnetismo está la interacción de intercambio - propuesta por Werner Heisenberg en 1926 basada en la mecánica cuántica - que alinea las "barras magnéticas" de los átomos individuales. Utilizando un nuevo tipo de microscopio que permite medir las fuerzas y corrientes en las superficies magnéticas y los cálculos de la mecánica cuántica de primer orden, los científicos de Nimega y Kiel han informado ahora sobre la resolución magnética ultra alta de una estructura espiral magnética y la cuantificación de las interacciones de intercambio a escala atómica.
Simulación de la interacción de intercambio entre la punta magnética piramidal, que consiste en átomos de hierro (Fe) y termina con un átomo de ápice de manganeso (Mn), y la superficie. La superficie consiste en una capa atómica de átomos de manganeso (Mn) con "barras atómicas magnéticas" apuntando hacia arriba (↑) o hacia abajo (↓). La capa de manganeso descansa sobre la superficie de un cristal de tungsteno (W(110)). Las isosuperficies rojas y azules muestran la interacción entre las densidades de electrones de los átomos de la punta y de la superficie.
Copyright: Soumyajyoti Haldar
Panel superior: Esquema del esquema de medición. Utilizando una punta atómica y magnética (triángulo con flecha verde), se detecta la fuerza de intercambio y la corriente del túnel entre la punta ferromagnética y la espiral magnética cicloidal en una película de manganeso de un solo átomo. Las flechas azules y verdes indican la dirección de los momentos magnéticos de los átomos (barras magnéticas atómicas) en la superficie. Panel inferior: Detección combinada de fuerza y corriente de la estructura magnética de la espiral. En el mapa de fuerza (código de color azul-amarillo) los átomos de la superficie aparecen en diferentes niveles de contraste debido a la estructura magnética. La barra de escala en la esquina inferior derecha muestra la escala de longitud (0,5 nm = 0,5 nanómetros).
Copyright: Nadine Hauptmann
En los años 80, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer desarrollaron en el centro de investigación de IBM en Rüschlikon en Zurich el microscopio de túnel de barrido por el que más tarde recibieron el premio Nobel. En este instrumento una punta metálica afilada es llevada a una distancia de alrededor de medio nanómetro sobre una superficie. En esta diminuta separación una pequeña corriente de túnel fluye entre la punta y la superficie. Al escanear la punta a través de la superficie esto permite resolver la estructura atómica de las superficies. Si se utiliza una punta metálica magnética, incluso las propiedades magnéticas se vuelven accesibles. Sin embargo, la corriente es sensible a otras numerosas señales que enredan fuertemente la información magnética.
Por otro lado, también hay una fuerza que actúa entre los átomos de la punta y los de la superficie. Si tanto la punta como la superficie son magnéticas, esta fuerza incluye la interacción de intercambio de Heisenberg. Recientemente, investigadores alrededor del Profesor Alexander Khajetoorians y la Dra. Nadine Hauptmann de la Universidad holandesa Radboud en Nimega desarrollaron un novedoso microscopio que permite medir las contribuciones magnéticas a la corriente y a la fuerza simultáneamente.
En su trabajo actual, los investigadores de la Universidad de Radboud y de la Universidad de Kiel, Alemania, presentan imágenes de alta resolución sin precedentes y cuantifican el campo de fuerza de intercambio entre una punta ferromagnética y una estructura espiral magnética quiral. "Con nuestra nueva técnica pudimos demostrar que las mediciones de fuerza son más sensibles a las variaciones a escala atómica del campo de fuerza de intercambio y del entorno químico local que la corriente", dice la Dra. Nadine Hauptmann.
Los cálculos de mecánica cuántica de primer orden realizados en los superordenadores de la Alianza de Supercomputación del Norte de Alemania (HLRN) explican las observaciones experimentales. "Nuestros cálculos muestran que el último átomo de la punta juega un papel crucial para las fuerzas de intercambio obtenidas y revelan una competencia de diferentes mecanismos de intercambio", como señala el Dr. Soumyajyoti Haldar de la Universidad de Kiel.
Su trabajo crea un nuevo estado del arte en imágenes de alta resolución de estructuras magnéticas complejas, y demuestra que las interacciones de intercambio pueden ser cuantificadas a escala atómica. En el futuro, el enfoque permitirá estudiar átomos o moléculas magnéticas individuales.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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