Los investigadores de NTNU están arrojando luz sobre los materiales magnéticos a pequeña escala creando películas con la ayuda de rayos X extremadamente brillantes.
Erik Folven, codirector del grupo de electrónica de óxidos del Departamento de Sistemas Electrónicos de la NTNU, y sus colegas de la NTNU y de la Universidad de Gante (Bélgica) se propusieron observar cómo cambian los microimanes de película delgada al ser perturbados por un campo magnético externo. El trabajo, financiado parcialmente por NTNU Nano y el Consejo de Investigación de Noruega, se publicó en la revista Physical Review Research.
Pequeños imanes
Einar Standal Digernes inventó los diminutos imanes cuadrados utilizados en los experimentos.
Los diminutos imanes cuadrados, creados por el candidato a doctorado de NTNU Einar Standal Digernes, tienen apenas dos micrómetros de ancho y están divididos en cuatro dominios triangulares, cada uno con una orientación magnética diferente que apunta en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario a las agujas del reloj alrededor de los imanes.
En ciertos materiales magnéticos, grupos más pequeños de átomos se agrupan en áreas llamadas dominios, en los que todos los electrones tienen la misma orientación magnética.
En los imanes NTNU, estos dominios se encuentran en un punto central (el núcleo del vórtice), donde el momento magnético apunta directamente dentro o fuera del plano del material.
«Cuando aplicamos un campo magnético, cada vez más de estos dominios apuntarán en la misma dirección», dice Folven. «Pueden crecer, contraerse y luego fusionarse».
Electrones casi a la velocidad de la luz
Ver esto no es fácil. Los investigadores llevaron sus microimanes a un sincrotrón con forma de rosquilla de 80 m de ancho, conocido como BESSY II, en Berlín, donde los electrones se aceleran hasta que viajan casi a la velocidad de la luz. Estos electrones, al moverse rápidamente, emiten entonces rayos X extremadamente brillantes.
“Tomamos estos rayos X y los usamos como luz en nuestro microscopio”, dice Folven.
Debido a que los electrones viajan alrededor del sincrotrón en grupos separados por dos nanosegundos, los rayos X que emiten llegan en pulsos precisos.
Un microscopio de transmisión de rayos X de barrido, o STXM, toma estos rayos X para crear una instantánea de la estructura magnética del material. Al unir estas instantáneas, los investigadores pueden crear una película que muestra cómo el microimán cambia con el tiempo.
Con la ayuda del STXM, Folven y sus colegas perturbaron sus microimanes con un pulso de corriente que generó un campo magnético y vieron que los dominios cambiaban de forma y que el núcleo del vórtice se movía desde el centro.
“Tienes un imán muy pequeño, lo empujas y tratas de visualizarlo mientras se asienta de nuevo”, dice. Después, vieron que el núcleo regresaba al centro, pero siguiendo una trayectoria sinuosa, no en línea recta.
“Volverá de alguna manera al centro”, dice Folven.
Un resbalón y se acabó
Esto se debe a que estudian materiales epitaxiales, que se crean sobre un sustrato que permite a los investigadores modificar las propiedades del material, pero bloquearía los rayos X en un STXM.
Trabajando en NTNU NanoLab, los investigadores resolvieron el problema del sustrato enterrando su microimán bajo una capa de carbono para proteger sus propiedades magnéticas.
Luego, con cuidado y precisión, desprendieron el sustrato subyacente con un haz concentrado de iones de galio hasta que solo quedó una capa muy fina. El minucioso proceso podía durar ocho horas por muestra, y un descuido podía ser catastrófico.
“Lo crucial es que, si se elimina el magnetismo, no lo sabremos hasta que lleguemos a Berlín”, dice. “El truco está, por supuesto, en traer más de una muestra”.
De la física fundamental a los dispositivos del futuro
Afortunadamente, funcionó, y el equipo utilizó las muestras cuidadosamente preparadas para graficar cómo los dominios del microimán crecen y se reducen con el tiempo. También crearon simulaciones por computadora para comprender mejor las fuerzas que actuaban.
Además de avanzar en nuestro conocimiento de la física fundamental, comprender cómo funciona el magnetismo en estas escalas de longitud y tiempo podría ser útil para crear dispositivos futuros.
El magnetismo ya se utiliza para el almacenamiento de datos, pero los investigadores buscan maneras de aprovecharlo aún más. Las orientaciones magnéticas del núcleo del vórtice y los dominios de un microimán, por ejemplo, podrían utilizarse para codificar información en forma de 0 y 1.
Los investigadores ahora pretenden repetir este trabajo con materiales antiferromagnéticos, donde el efecto neto de los momentos magnéticos individuales se anula. Estos materiales son prometedores en informática (en teoría, podrían utilizarse para fabricar dispositivos que requieran poca energía y se mantengan estables incluso en caso de corte de suministro), pero su investigación es mucho más compleja debido a que las señales que producen serán mucho más débiles.
A pesar de ese desafío, Folven se muestra optimista. «Hemos avanzado al demostrar que podemos crear muestras y analizarlas con rayos X», afirma. «El siguiente paso será ver si podemos crear muestras de la calidad suficiente para obtener suficiente señal de un material antiferromagnético».
Hora de publicación: 10 de mayo de 2021