Nueva forma de magnetismo observada por vez primera

Unos físicos han demostrado la existencia de una nueva forma de magnetismo que algún día podría aprovecharse para construir chips de memoria «espintrónica» más rápidos, más compactos y con menor consumo de energía.

El nuevo estado magnético es una combinación de dos formas principales de magnetismo: el ferromagnetismo de los imanes permanentes, como lo son los típicos imanes de nevera o las agujas de las brújulas; y el antiferromagnetismo, en el que los materiales tienen propiedades magnéticas a microescala, pero no están magnetizados macroscópicamente.

Esta observación pionera la ha realizado un equipo encabezado por Qian Song, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos.

Se sabe que los electrones de los átomos en ferroimanes convencionales comparten la misma orientación de espín, como si fueran pequeñas brújulas apuntando en la misma dirección. Esta alineación de espín genera un campo magnético que confiere al ferroimán su magnetismo inherente. Los electrones pertenecientes a átomos magnéticos en un antiferroimán también tienen espín, aunque estos se alternan, con electrones que orbitan átomos vecinos alineando sus espines de manera antiparalela entre ellos. En conjunto, los espines iguales y los opuestos se cancelan mutuamente y el antiferroimán no exhibe magnetización macroscópica.

Song y sus colegas descubrieron el nuevo magnetismo en yoduro de níquel bidimensional (en una lámina con grosor atómico) y cristalino, que sintetizaron en el laboratorio. Al igual que en un ferroimán, los electrones exhiben una orientación de espín preferente y, al igual que en un antiferroimán, poblaciones iguales de espines opuestos resultan en una cancelación neta. Sin embargo, los espines de los átomos de níquel exhiben un patrón único, formando configuraciones espirales dentro del material que son imágenes especulares entre sí, de forma similar a como la mano izquierda es la imagen especular de la mano derecha.

Además, los investigadores descubrieron que esta configuración de espín espiral les permitía realizar una «conmutación de espín»: dependiendo de la dirección de los espines en espiral del material, podían aplicar un pequeño campo eléctrico en una dirección adecuada para convertir fácilmente una espiral de espines levógira en una espiral de espines dextrógira, y viceversa.

El orden magnético espiral (flechas de color azul claro) en la red triangular del yoduro de níquel (las esferas negras representan átomos de níquel) permite un magnetismo conmutable eléctricamente (líneas blancas dentadas). Los electrones con espín ascendente (puntos naranjas) y los que tienen espín descendente (puntos azules) se propagan en direcciones opuestas e invierten sus trayectorias cuando se invierte el sentido del orden magnético espiral (levógiro o dextrógiro). (Imagen: equipo de investigación. CC BY-NC-ND 3.0)

La capacidad de conmutar los espines de los electrones es fundamental en la «espintrónica», una prometedora alternativa a la electrónica convencional. Con un enfoque espintrónico, los datos pueden escribirse en forma del espín de un electrón, en vez de en forma de su carga electrónica, lo que potencialmente permite almacenar en un dispositivo cantidades de datos que son órdenes de magnitud mayores que las factibles mediante la electrónica convencional, y además con un consumo de energía mucho menor al escribir y leer dichos datos.

Song y sus colegas exponen los detalles técnicos de su descubrimiento en la revista académica Nature, bajo el título “Electrical switching of a p-wave magnet”. (Fuente: NCYT de Amazings)