Los materiales magnéticos han sido un pilar en la tecnología informática debido a su capacidad para almacenar información de forma permanente en su estado magnético. Las tecnologías actuales se basan en ferroimanes, cuyos estados pueden ser cambiados fácilmente por campos magnéticos. Más rápido, más denso y los dispositivos de próxima generación más robustos serían posibles mediante el uso de una clase diferente de materiales, conocidos como antiferromagnetos. Su estado magnético, sin embargo, es notoriamente difícil de controlar.

Ahora, Un equipo de investigación del MPSD y la Universidad de Oxford ha logrado impulsar un antiferromaimán prototípico a un nuevo estado magnético utilizando luz de frecuencia de terahercios. Su innovador método produjo un efecto de órdenes de magnitud mayor que el logrado anteriormente, y en escalas de tiempo ultrarrápidas. El trabajo del equipo se acaba de publicar en Física de la naturaleza .

La fuerza y ​​la dirección del "polo norte" de un imán se denota por su llamada magnetización. En ferromagnetos, esta magnetización fácilmente reversible puede representar un 'bit' de información, lo que los ha convertido en los materiales de elección para las tecnologías basadas en imanes. Pero los ferroimanes son lentos para operar y reaccionan a campos magnéticos extraviados, lo que significa que son propensos a errores y no se pueden empaquetar muy juntos.

Los antiferromagnetos representan una alternativa interesante. A diferencia de los ferroimanes, no tienen magnetización macroscópica, ya que están formados por momentos magnéticos que apuntan hacia arriba y hacia abajo, 'como imanes de barra de tamaño atómico que cambian de dirección de un átomo al siguiente. No se ven muy afectados por campos magnéticos, lo que los hace robustos para el almacenamiento de información y permite escalarlos a tamaños mucho más pequeños. Además, podrían responder más rápido que los dispositivos actuales, con frecuencias de hasta varios terahercios. El desafío para los investigadores es encontrar formas de cambiar de manera confiable el estado magnético de un antiferromagnet.

En su nuevo periódico, el equipo de investigación de MPSD / Oxford siguió un enfoque novedoso, investigando cómo el estado magnético de un antiferromagnet se ve afectado por su estructura cristalina. Explotaron una propiedad de algunos antiferromagnetos llamada piezomagnetismo, donde un cambio en la estructura atómica conduce a una magnetización, como en un ferromagnético. Este cambio generalmente se logra aplicando una presión uniaxial, pero este es un proceso lento que puede romper el cristal.

En lugar de presión, el equipo usó luz para controlar el efecto piezomagnético en CoF ₂ . El método, originario del grupo en Hamburgo en 2011, se basa en excitantes vibraciones de celosía, o "fonones, "con pulsos de luz cuidadosamente diseñados. Al sintonizar la frecuencia y la polarización de los pulsos de luz, podrían inducir las mismas distorsiones estructurales que dan lugar al piezomagnetismo sin tener que tensar el cristal, una idea experimental propuesta por el coautor Paolo Radaelli de la Universidad de Oxford mientras visitaba el MPSD en 2018.

Esta innovadora técnica permitió a los investigadores crear una magnetización 400 veces mayor que la lograda anteriormente. Sorprendentemente, Solo tomó alrededor de 100 ps para que se desarrollara la magnetización y la dirección de la magnetización podría revertirse cambiando la polarización de la luz. Los resultados representan un gran avance en el control óptico de las propiedades de los materiales.

El autor principal, Ankit Disa, dice:"Este experimento fue la primera demostración de la ingeniería 'racional' o 'intencional' de una estructura cristalina con luz. Sabíamos qué tipo de distorsión estructural se necesitaba para crear una transición de fase de un antiferromagnético a un ferromagnético -como estado. El truco consistía en entender cómo utilizar la luz para impulsar el material hacia esta nueva estructura cristalina ".

Andrea Cavalleri, quien dirigió el equipo experimental en el MPSD y está involucrado con el clúster de excelencia CUI:Advanced Imaging of Matter, ve un gran potencial en el uso de la luz para controlar las propiedades de los materiales:"Esta técnica podría conducir a interruptores optomagnéticos, por ejemplo, para hacer recuerdos que se puedan escribir y leer con la luz. Más fundamentalmente, ahora tenemos las herramientas y la comprensión para diseñar ópticamente la estructura de los materiales a escala atómica, que se puede aplicar para manipular funcionalidades en muchos tipos de sistemas, desde imanes hasta ferroeléctricos y superconductores ".