Identificar la estructura magnética de un material es clave para desbloquear nuevas funciones y un mayor rendimiento en dispositivos electrónicos. Sin embargo, resolver estructuras magnéticas cada vez más complejas requiere enfoques cada vez más sofisticados.

Investigadores del Centro de Cristalografía de Materiales de la Universidad de Aarhus, Dinamarca, son pioneros en una técnica novedosa para resolver estructuras magnéticas altamente elaboradas utilizando neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE). Su objetivo es desarrollar la técnica, basada en el análisis matemático de grandes datos de difracción tridimensional, para establecer un enfoque de referencia que pueda adaptarse a una amplia clase de materiales magnéticos con diferentes estructuras.

"En materiales magnéticos, muchos de los átomos tienen un momento magnético, o una vuelta, que actúa como un imán muy pequeño. En imanes típicos, como imanes de nevera, cada uno de ellos está alineado en la misma dirección y se combinan para formar un momento magnético más grande, que nos permite pegar cosas en nuestro refrigerador. Ese es un ejemplo de una estructura magnética ordenada, donde un patrón específico se repite una y otra vez, ", dijo el investigador de Aarhus, Nikolaj Roth." Pero estamos más interesados ​​en los sistemas desordenados, o magnetismo frustrado, donde no existe un orden magnético de largo alcance. Donde no hay un patrón fijo de giros, que se repite. Aquí es donde suceden todo tipo de cosas interesantes ".

Aunque el magnetismo "frustrado" o desordenado puede parecer aleatorio o incluso caótico, "no es, "explicó Roth. Hay correlaciones entre los giros, aunque sólo sea para una distancia corta, conocida como orden magnética de corto alcance. Si se pueden aprovechar las propiedades dinámicas del magnetismo frustrado, estos materiales podrían usarse para desarrollar nuevos componentes electrónicos con capacidades tremendamente avanzadas. Ese, por supuesto, depende de la capacidad de identificar correlaciones de corto alcance en materiales magnéticos más rápido, más eficientemente, ya una escala mucho más amplia.

"Hace unos pocos años, Desarrollamos una nueva técnica para analizar los datos que hizo posible ver estas correlaciones de corto alcance muy fácilmente, "dijo Roth.

En los primeros experimentos, el equipo calculó con éxito las correlaciones magnéticas en una muestra de bixbyita, un material de óxido de hierro y manganeso que se encuentra en Utah. En este experimento de seguimiento, utilizaron bixbyita de Sudáfrica que tiene una proporción diferente de manganeso a hierro y, por lo tanto, tiene una estructura magnética ligeramente diferente.

"Estamos recibiendo ayuda de la madre naturaleza porque no tenemos que sintetizar estos materiales, simplemente se encuentran en el suelo, ", dijo el investigador Kristoffer Holm." La muestra de Utah es aproximadamente 50:50 de hierro a manganeso, mientras que el de Sudáfrica es más como 70:30. Son muestras muy relacionadas, y esperamos que puedan decirnos cómo las diferencias en la composición afectarán sus correlaciones de corto alcance ".

Los neutrones son muy adecuados para estudiar el comportamiento magnético porque las propias partículas actúan como pequeños imanes. Los neutrones pueden penetrar muchos materiales más profundamente que otros métodos complementarios; y porque no tienen cargo, interactúan con las muestras sin comprometer o dañar el material para revelar información crítica sobre la energía y la materia a escala atómica.

Por ellos mismos, Las composiciones de hierro puro y manganeso puro tienen estructuras ordenadas a bajas temperaturas, en el que sus giros se alinean de acuerdo con un patrón de repetición específico. Pero cuando se combinan, se vuelven desordenados y forman un estado de "vidrio giratorio" por debajo de 30 Kelvin (aproximadamente menos 400 ° Fahrenheit), donde se fija un patrón complejo de alineaciones de espín.

El orden magnético de corto alcance tiene una señal débil y es difícil de detectar con instrumentos convencionales de dispersión de neutrones. Sin embargo, la línea de luz CORELLI en la fuente de neutrones de espalación (SNS) de ORNL proporciona un alto flujo, o gran cantidad de neutrones, con una matriz de detectores que puede capturar grandes volúmenes de datos de forma rápida y con un detalle sin precedentes. Usando CORELLI, el equipo pudo cuantificar la estructura magnética de la muestra de bixbyita de Sudáfrica para hacer comparaciones entre ella y la estructura atómica del material.

"CORELLI es el único instrumento en el mundo que podría hacer este experimento de la forma en que lo necesitamos. Nos permite medir en todas las direcciones, incluso en ángulos altos, y lo hace muy rápido, que es exactamente lo que necesitamos para la técnica que estamos desarrollando, ", dijo el investigador Emil Klahn." Incluso si pudiéramos hacerlo en otra instalación, se necesitarían semanas para hacer lo que hemos podido hacer en solo unos días ".

El equipo dice que con una técnica completamente desarrollada, podrán estudiar materiales similares que exhiban comportamientos o estados de la materia extraños e inusuales; los materiales candidatos incluyen líquidos de espín cuántico, girar hielos, y superconductores no convencionales. Sucesivamente, esos conocimientos podrían conducir a una amplia gama de aplicaciones electrónicas radicalmente avanzadas.