Investigadores del NIST (National Institute of Standards and Technology) de Estados Unidos han descubierto un nuevo método para manipular las propiedades nanométricas de los materiales magnéticos.
La capacidad de controlar estas propiedades tiene aplicaciones potenciales en la creación y mejora de la memoria magnética en dispositivos electrónicos de consumo y en el desarrollo de un detector sensible para nanopartículas magnéticas.
El descubrimiento se centra en una propiedad mecánica cuántica conocida como espín, que dota a los electrones con un diminuto campo magnético. El espín de electrones puede apuntar en cualquiera de las dos direcciones, «arriba» o «abajo», al igual que el campo magnético que lo acompaña. Con el paso de los años, los científicos se han vuelto expertos en invertir la dirección del espín y, por tanto, la dirección del campo magnético. Pero el nuevo hallazgo va más lejos en el control del magnetismo a nivel atómico.
En algunos materiales, como el cobalto, los espines de electrones vecinos interactúan, haciendo que todos apunten en la misma dirección. Si algunos de esos esines son obligados a alejarse de esa dirección, tiran de otros cercanos con ellos. Esto hace que se sometan a una torsión gradual en sentido horario o antihorario. En algunos materiales, los espines prefieren torcer en solamente una dirección.
Un equipo dirigido por el investigador del NIST Samuel Stavis y Andrew Balk, ahora en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, encontró una forma de controlar la dirección de este giro en una película de cobalto con sólo tres capas atómicas de espesor. Además, pudieron establecer que esta dirección fuera diferente en distintos lugares en la misma película de cobalto, y lo hicieron independientemente de otras propiedades magnéticas del metal.
El equipo logró esta nueva capacidad mediante el control de un efecto conocido como la interacción Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), que impone una dirección de giro preferida en los espines. El DMI típicamente se produce en el límite entre una película delgada de un metal magnético y una capa de metal no magnético. El electrón gira en la película magnética para interactuar con los átomos en la película no magnética, creando un giro preferencial.
El control del DMI puede aumentar la memoria magnética, que utiliza la orientación del giro para almacenar información. Un dispositivo de memoria necesita dos estados distintos, que representan un uno o un cero: en el caso de un disco duro magnético, los electrones con el espín apuntando hacia arriba o hacia abajo.
Para escribir datos, los diseñadores necesitan una forma predecible de pasar de una orientación a la otra. Controlar la dirección y la cantidad de giro podría permitir que el giro de espín ocurra de manera más eficiente y fiable que si el giro fuera aleatorio, explica Balk.
El control de la DMI también juega un papel clave en otro tipo de memoria magnética. Si el DMI es lo suficientemente fuerte, girará los espines vecinos en un patrón circular de vórtice y podría crear nudos magnéticos exóticos llamados ‘skyrmiones’. Estos nudos parciales pueden almacenar información, y su existencia o ausencia en una película magnética delgada podría actuar más como los ceros y los unos de los circuitos lógicos electrónicos. Mediante la regulación de la DMI, los investigadores pueden crear ‘skyrmiones’, que requeriría menos energía para funcionar que otros tipos de memoria magnética, y debería ser capaz de guiar su movimiento a través de un material magnético.
Los investigadores describen su trabajo en Physical Review Letters.
En su experimento, los investigadores intercalaron una fina película de cobalto entre dos capas de platino, un metal no magnético. A continuación, bombardearon la tricapa con iones de argón, que eliminó la película de platino superior y asperó el límite superior entre el platino y el cobalto, dependiendo de la energía iónica. Los científicos descubrieron que cuando usaban iones de argón con mayor energía, el DMI era negativo, torciendo los espines del cobalto en el sentido contrario a las agujas del reloj, y cuando usaban iones de argón con menor energía, el DMI era positivo y torcía los espines en el sentido de las agujas del reloj . Cuando se expuso a los iones de argón de energía intermedia, el DMI era cero, lo que es igualmente probable que los espines giren en sentido horario o antihorario.
Los investigadores hicieron su descubrimiento mientras afinaban las propiedades magnéticas de una película de cobalto para desarrollar un sensor para nanopartículas magnéticas. Al hacerlo, el equipo se dio cuenta de que había encontrado una nueva forma de manipular el DMI.
Debido a que los iones de argón con diferentes energías podrían estar dirigidos a regiones específicas dentro del cobalto, los investigadores fueron capaces de fabricar películas de cobalto cuya DMI varió a través de la superficie del material.
«Seis décadas después de que Dzyaloshinskii y Moriya descubrieran esta interacción, nuestro nuevo proceso para controlarla espacialmente, independientemente de otras propiedades magnéticas, permitirá nuevos estudios científicos del DMI y permitirá la fabricación de nuevos dispositivos nanomagnéticos», dijo Balk en un comunicado.
Finalmente, los científicos descubrieron que controlar el DMI efectivamente hizo que la película fuera más sensible a los campos magnéticos de las nanopartículas.
Fuente: Europa Press