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Una mirada al futuro magnético

04 abril 2022

(Noticias de Nanwerk) Investigadores del Instituto Paul Scherrer (PSI) han observado por primera vez cómo diminutos imanes en un diseño especial se alinean solo con los cambios de temperatura. Esta visión de los procesos que ocurren dentro del llamado espín de hielo artificial podría jugar un papel importante en el desarrollo de nuevas computadoras de alto rendimiento.

Los resultados fueron publicados en la revista Física de la naturaleza («Representación del espacio real de las transiciones de fase en el hielo giratorio artificial de Kagome»). Giro de hielo Kagome artificial Figura: (a) Micrografía electrónica de barrido de hielo giratorio Kagome artificial generado por litografía que muestra nanoimanes de permalloy conectados asimétricamente por puentes magnéticos. Los puentes más pequeños tienen solo 10 nanómetros de ancho. (b) La disposición magnética resultante se refleja en un microscopio electrónico de emisión óptica en un Swiss Light Source SLS. La composición magnética puede determinarse a partir del contraste claro y oscuro y compararse con una simulación por computadora. (Foto: Kevin Hofhuis)

Cuando el agua se congela para formar hielo, las moléculas de agua, junto con los átomos de hidrógeno y oxígeno, se organizan en una estructura compleja. El agua y el hielo son dos fases diferentes, y la transición de agua a hielo se llama transición.

En el laboratorio se pueden producir cristales en los que los momentos magnéticos iniciales, los llamados espines, son estructuras similares al hielo. Es por eso que los investigadores también se refieren a estas estructuras como hielo rotacional.

«Hemos producido hielo artificial que consiste principalmente en nanoimanes tan pequeños que su orientación cambia solo como resultado de la temperatura», explica el físico Kevin Hofhuis, quien acaba de completar su tesis doctoral en PSI y ahora trabaja en la Universidad de Yale. en los Estados Unidos de América.

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En el material que utilizaron los investigadores, los nanoimanes estaban dispuestos en estructuras hexagonales, un estilo muy conocido del arte japonés de cestería bajo el nombre de kagome.

«Las transiciones de fase magnética se han predicho teóricamente para el hielo kagome giratorio artificial, pero no se han observado antes», dice Laura Heyderman, directora del Laboratorio de Experimentos de Materiales Multiescala en PSI y profesora en ETH Zurich. «El descubrimiento de las transiciones de fase ahora solo es posible gracias al uso de litografía de última generación para la producción de materiales en la sala limpia de PSI, así como al método de microscopía patentado de Swiss Light Source SLS».

El truco: pequeños puentes magnéticos

Para sus muestras, los investigadores utilizaron un compuesto de níquel-hierro llamado permalloy, que estaba recubierto como una película delgada sobre un sustrato de silicio. Utilizaron un proceso litográfico para crear repetidamente un pequeño patrón hexagonal de nanoimanes, con cada nanoimán de aproximadamente medio micrómetro (una millonésima parte de un metro) de largo y una sexta parte de un micrómetro de ancho. Pero eso no es todo.

«El truco fue unir los nanoimanes a pequeños puentes magnéticos», dice Hofhuis. «Esto resultó en cambios sutiles en el sistema que nos permitieron ajustar la transición de fase de una manera que pudiéramos monitorear. Sin embargo, estos puentes tenían que ser muy pequeños, porque no queríamos cambiar demasiado el sistema».

El físico todavía está sorprendido de que esta tarea realmente haya funcionado. Al crear nanopuentes, estaba empujando los límites de la resolución espacial técnicamente factible de los métodos litográficos actuales. Algunos puentes tienen solo diez nanómetros de ancho.

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El orden de magnitud de este experimento es realmente impresionante, dice Hofhuis: «Si bien las estructuras más pequeñas de nuestra muestra están en el rango de nanómetros, su instrumento de imagen, el SLS, tiene una circunferencia de casi 300 metros». «Las estructuras que examinamos son 30 mil millones de veces más pequeñas que los instrumentos con los que las examinamos», agrega Heidermann.

Microscopía y teoría

En la línea de luz SIM del SLS, el equipo utilizó un método especial llamado microscopía electrónica de emisión óptica que hizo posible monitorear el estado magnético de cada nanoimán individual en la matriz. Fueron apoyados activamente por Armin Kleibert, el científico responsable del SIM.

«Pudimos grabar un video que muestra cómo los nanoimanes interactúan entre sí mientras cambian la temperatura», resume Hofhuis.

Las fotos originales simplemente tienen un contraste en blanco y negro que cambia de vez en cuando. A partir de esto, los investigadores pudieron inferir la formación de los ciclos, es decir, la alineación de los momentos magnéticos.

«Si ves un video como este, no sabes en qué etapa estás», explica Hofhuis. Esto requirió una consideración teórica, aportada por Peter Derlett, físico de PSI y profesor asistente en ETH Zurich.

Sus simulaciones mostraron lo que teóricamente debería suceder en las transiciones de fase. La comparación de las imágenes registradas con esta simulación solo prueba que los procesos observados bajo el microscopio son, de hecho, transiciones de fase.

Procesamiento de transición de fase

El nuevo estudio es otro avance en la investigación del hielo rotacional artificial que el grupo de Laura Haiderman ha estado realizando durante más de una década.

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“Lo bueno de estos materiales es que podemos detallarlos y ver directamente lo que sucede en su interior”, dice el físico. «Podemos observar todo tipo de comportamiento fascinante, incluidas las transiciones de fase y el orden que depende del diseño del nanoimán. Esto no es posible con los sistemas de espín en los cristales convencionales».

Aunque estas investigaciones siguen siendo investigación puramente básica en la actualidad, los investigadores ya están considerando posibles aplicaciones.

«Ahora sabemos que podemos ver e interactuar con las diferentes fases de estos materiales, y se abren nuevas posibilidades», dice Hofhuis.

El control de diferentes fases magnéticas puede ser interesante para nuevos tipos de procesamiento de datos. Los investigadores de PSI y otros lugares están estudiando cómo se puede utilizar la complejidad del espín de hielo artificial para nuevas computadoras de alta velocidad con bajo consumo de energía.

“El proceso se basa en el procesamiento de la información en el cerebro y aprovecha cómo reacciona el hielo de espín artificial ante un estímulo como un campo magnético o una corriente eléctrica”, explica Heidermann.

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