Científicos de San Petersburgo, descubren una forma para conmutar un material magnético a temperatura ambiente.
San Petersburgo, Rusia, Europa.- Investigadores del Instituto Físico-Técnico A.F. Ioffe de la Academia Rusa de Ciencias (San Petersburgo), junto con colegas del Centro Científico y Práctico de Ciencia de los Materiales de la Academia Nacional de Ciencias de Bielorrusia (Minsk) y la Universidad Estatal N.V. Chernyshevsky de Sarátov, han descubierto una forma rápida de controlar las propiedades magnéticas de un material a temperatura ambiente mediante un láser, con el fin de mejorar los discos duros y otros dispositivos de memoria magnética.
Un pulso láser corto gira 90 grados las microagujas magnéticas dentro del material, como la aguja de una brújula que gira rápidamente. El material entra primero en un estado «latente» especial, que dura solo millonésimas de microsegundo. Este estado se puede controlar, regulando así la rapidez y la completitud de la conmutación. Este enfoque abre la puerta a la creación de dispositivos magnéticos ultrarrápidos de nueva generación, como los destinados al almacenamiento y procesamiento de datos. Los resultados del estudio, financiado con una beca de la Fundación Rusa para la Ciencia, se publicaron en la revista Physical Review Letters.
Para utilizar un material magnético como medio de almacenamiento, por ejemplo, para registrar «0» o «1» en el disco duro de una computadora, es necesario poder cambiar la dirección de sus momentos magnéticos (las microscópicas «flechas magnéticas»). Es importante que los momentos magnéticos estén estrictamente ordenados (todos orientados en una dirección específica), ya que solo así el material crea una señal magnética clara y estable, lo que permite el registro y la recuperación de información del medio de almacenamiento.
Las tecnologías de memoria magnética existentes utilizan los llamados ferroimanes, que incluyen, por ejemplo, el hierro, el cobalto y el níquel. Los momentos magnéticos de sus átomos se alinean espontáneamente en la misma dirección, estrictamente paralelos entre sí. Un campo magnético externo puede cambiarlos todos (invertir su dirección, por ejemplo, para registrar y transmitir datos), pero esto no se puede hacer rápidamente, lo que limita el desarrollo futuro de dispositivos de memoria basados en dichos materiales. Una alternativa más rápida podrían ser los antiferroimanes, otra clase de materiales magnéticos en los que los momentos magnéticos de los átomos adyacentes están orientados en direcciones opuestas. Sin embargo, la búsqueda de una forma rápida y eficiente de cambiar los estados magnéticos de los antiferroimanes a temperatura ambiente continúa.
Los autores del estudio propusieron cambiar el estado magnético de un antiferroimán a temperatura ambiente irradiándolo con un láser. Anteriormente, los científicos habían intentado aplicar este método de control de antiferroimanes principalmente a temperaturas muy bajas (de -196 °C a -269 °C), lo cual no es adecuado para dispositivos del mundo real.
Los investigadores realizaron experimentos con borato de hierro, un material a base de hierro, boro y oxígeno. Este antiferroimán presenta dos conjuntos de momentos magnéticos, opuestos entre sí y ligeramente sesgados (no estrictamente paralelos). Curiosamente, al calentarse a +140 °C, los momentos magnéticos de este material giran bruscamente 90 grados (se produce una transición de fase magnética). Esto puede compararse con la transformación del hielo en agua a 0 °C, solo que mucho más rápido.
Los físicos expusieron el material a pulsos láser cortos y descubrieron que, en estas condiciones, la dirección de los momentos magnéticos cambia drásticamente. Además, los autores descubrieron por primera vez que este proceso ocurre a través de un estado «latente» intermedio, imposible de observar en condiciones normales. Por lo tanto, los resultados de este estudio también son muy importantes desde la perspectiva de la ciencia fundamental.
El estado «latente» dura solo millonésimas de microsegundo, tras lo cual, debido al calentamiento del láser, los momentos magnéticos de los átomos finalmente giran 90 grados, lo que significa que el estado magnético del material cambia. A pesar de su corta vida útil, el estado «latente» resulta decisivo para la rapidez con la que se produce el cambio y para determinar si es completo.
«Por primera vez, hemos logrado cambiar rápidamente el estado magnético de un antiferroimán utilizando un láser a una temperatura ligeramente superior a la temperatura ambiente. Los resultados muestran que los pulsos láser cortos pueden cambiar el estado magnético con mayor rapidez y fluidez que un campo magnético o una corriente eléctrica.» «Su uso abre el camino a la creación de componentes lógicos y de memoria de alta velocidad y eficiencia energética», afirma Anna Kuzikova, investigadora junior del Laboratorio de Física Ferroica del Instituto de Física y Tecnología de la Academia de Ciencias de Rusia y participante en el proyecto financiado con una beca de RSF.
