Una mirada al futuro magnético

Investigadores del PSI y de la ETH de Zúrich han observado por primera vez cómo diminutos imanes en una disposición especial se alinean únicamente como resultado de los cambios de temperatura

06.04.2022 - Suiza

Esta visión de los procesos que tienen lugar dentro del llamado hielo de espín artificial podría desempeñar un papel importante en el desarrollo de nuevos ordenadores de alto rendimiento.

Cuando el agua se congela para formar hielo, las moléculas de agua, con sus átomos de hidrógeno y oxígeno, se organizan en una estructura compleja. El agua y el hielo son fases diferentes, y la transformación del agua en hielo se denomina transición de fase. En el laboratorio se pueden producir cristales en los que los momentos magnéticos elementales, los llamados espines, forman estructuras comparables al hielo. Por ello, los investigadores también se refieren a estas estructuras como hielo de espín.

"Hemos producido hielo de espín artificial, que consiste esencialmente en nanoimanes tan pequeños que su orientación sólo puede cambiar como resultado de la temperatura", explica el físico Kevin Hofhuis, que acaba de terminar su tesis doctoral en el PSI.

En el material que utilizaron los investigadores, los nanoimanes están dispuestos en estructuras hexagonales, un patrón que se conoce en el arte japonés de la cestería con el nombre de kagome.

"Las transiciones de fase magnéticas se habían predicho teóricamente para el hielo artificial de kagome, pero nunca se habían observado antes", afirma Laura Heyderman, directora del Laboratorio de Experimentos de Materiales a Escala Múltiple del PSI y profesora del laboratorio de Sistemas Mesoscópicos de la ETH de Zúrich.

"La detección de las transiciones de fase sólo ha sido posible ahora gracias al uso de la litografía más moderna para producir el material en la sala blanca del PSI, así como a un método especial de microscopía en la Swiss Light Source SLS". La revista Nature Physics publica ahora los resultados de estos experimentos.

El truco: pequeños puentes magnéticos

Para sus muestras, los investigadores utilizaron un compuesto de níquel y hierro llamado permalloy, que fue recubierto como una fina película sobre un sustrato de silicio. Utilizaron un proceso de litografía para formar repetidamente un pequeño patrón hexagonal de nanoimanes, en el que cada nanoimán tiene aproximadamente medio micrómetro (millonésima parte de un metro) de largo y una sexta parte de ancho.

Pero eso no es todo. "El truco fue que conectamos los nanoimanes con diminutos puentes magnéticos", dice Hofhuis. "Esto dio lugar a pequeños cambios en el sistema que nos permitieron sintonizar la transición de fase de forma que pudiéramos observarla. Sin embargo, estos puentes tenían que ser realmente pequeños, porque no queríamos cambiar demasiado el sistema."

El físico aún está sorprendido de que esta empresa haya tenido éxito. Con la creación de los nanopuentes, se enfrentó a los límites de la resolución espacial técnicamente posible de los métodos litográficos actuales. Algunos de los puentes tienen sólo diez nanómetros (milmillonésimas partes de un metro) de diámetro.

Microscopía y teoría

En la línea de luz SIM del SLS, el equipo utilizó un método especial llamado microscopía electrónica de fotoemisión que permitió observar el estado magnético de cada uno de los nanoimanes del conjunto.

"Pudimos grabar un vídeo que muestra cómo los nanoimanes interactúan entre sí a medida que cambiamos la temperatura", resume Hofhuis. Las imágenes originales contienen simplemente un contraste en blanco y negro que cambia de vez en cuando. A partir de ellas, los investigadores pudieron deducir la configuración de los espines, es decir, la alineación de los momentos magnéticos.

"Si ves un vídeo así, no sabes en qué fase estás", explica Hofhuis. Esto exigía una reflexión teórica, a la que contribuyó Peter Derlet, físico del PSI y profesor adjunto de la ETH de Zúrich. Sus simulaciones mostraron lo que debería ocurrir teóricamente en las transiciones de fase. Sólo la comparación de las imágenes grabadas con estas simulaciones demostró que los procesos observados al microscopio son realmente transiciones de fase.

Manipulación de las transiciones de fase

El nuevo estudio es un logro más en la investigación del hielo de espín artificial que el grupo de Laura Heyderman lleva realizando desde hace más de una década. "Lo mejor de estos materiales es que podemos adaptarlos y ver directamente lo que ocurre en su interior", afirma la física.

"Podemos observar todo tipo de comportamientos fascinantes, incluidas las transiciones de fase y el ordenamiento que dependen de la disposición de los nanoimanes. Esto no es posible con los sistemas de espín de los cristales convencionales". Aunque de momento estas investigaciones son pura investigación fundamental, los investigadores ya están pensando en posibles aplicaciones.

El control de diferentes fases magnéticas podría ser interesante para nuevos tipos de procesamiento de datos. Los investigadores del PSI y de otros lugares están estudiando cómo la complejidad del hielo de espín artificial podría utilizarse para nuevos ordenadores de alta velocidad con bajo consumo de energía. "El proceso se basa en el procesamiento de la información en el cerebro y aprovecha la forma en que el hielo de espín artificial reacciona a un estímulo como un campo magnético o una corriente eléctrica", explica Heyderman.

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Publicación original

Hofhuis K, Skjærvø SH, Parchenko S, Arava H, Luo Z, Kleibert A, Derlet PM, Heyderman LJ: Real-space imaging of phase transitions in bridged artificial kagome spin ice, Nature Physics, online publiziert 04.04.2022

https://www.quimica.es/noticias/1175526/una-mirada-al-futuro-magnetico.html