Por primera vez, Los físicos han logrado obtener imágenes de la ordenación magnética en espiral en un material multiferroico. Estos materiales se consideran candidatos muy prometedores para futuros medios de almacenamiento de datos. Los investigadores pudieron probar sus hallazgos utilizando sensores cuánticos únicos que se desarrollaron en la Universidad de Basilea y que pueden analizar campos electromagnéticos en la escala nanométrica. Los resultados, obtenidos por científicos del Departamento de Física de la Universidad de Basilea, el Instituto Suizo de Nanociencia, la Universidad de Montpellier y varios laboratorios de la Universidad Paris-Saclay — se publicaron recientemente en la revista Naturaleza .

Multiferroics son materiales que reaccionan simultáneamente a campos eléctricos y magnéticos. Estas dos propiedades rara vez se encuentran juntas, y su efecto combinado permite cambiar el orden magnético de los materiales mediante campos eléctricos.

Esto ofrece un potencial particular para dispositivos de almacenamiento de datos novedosos:los materiales multiferroicos se pueden utilizar para crear medios de almacenamiento magnéticos a nanoescala que se pueden descifrar y modificar mediante campos eléctricos.

Los medios magnéticos de este tipo consumirían muy poca energía y funcionarían a velocidades muy altas. También podrían usarse en espintrónica, una nueva forma de electrónica que utiliza el giro de los electrones y la carga eléctrica.

Ordenamiento magnético en espiral

La ferrita de bismuto es un material multiferroico que exhibe propiedades eléctricas y magnéticas incluso a temperatura ambiente. Si bien sus propiedades eléctricas se han estudiado en profundidad, Hasta ahora no existía un método adecuado para representar el orden magnético en la escala nanométrica.

El grupo dirigido por el profesor Patrick Maletinsky de Georg-H.-Endress del Instituto Suizo de Nanociencia y el Departamento de Física de la Universidad de Basilea, ha desarrollado sensores cuánticos basados ​​en diamantes con centros vacantes de nitrógeno. Esto les permitió, en colaboración con colegas de la Universidad de Montpellier y la Universidad Paris-Saclay en Francia, representar y estudiar el orden magnético de una fina película de ferrita de bismuto por primera vez, como informan en Naturaleza .

Saber cómo se comportan los espines de los electrones y cómo se ordena el campo magnético es de crucial importancia para la futura aplicación de materiales multiferroicos como almacenamiento de datos.

Los científicos pudieron demostrar que la ferrita de bismuto exhibe un orden magnético en espiral, con dos espines de electrones superpuestos (mostrados en rojo y azul en la imagen) adoptando orientaciones opuestas y girando en el espacio, mientras que anteriormente se suponía que esta rotación tenía lugar dentro de un plano. Según los investigadores, los sensores cuánticos ahora muestran que una ligera inclinación en estos giros opuestos conduce a una rotación espacial con un ligero giro.

"Nuestros sensores cuánticos de diamantes permiten no solo análisis cualitativos sino también cuantitativos. Esto significó que pudimos obtener una imagen detallada de la configuración de espín en multiferroics por primera vez, ", explica Patrick Maletinsky." Estamos seguros de que esto allanará el camino para los avances en la investigación de estos materiales prometedores ".

Vacantes con propiedades especiales

Los sensores cuánticos que utilizaron consisten en dos pequeños diamantes monocristalinos, cuyas redes cristalinas tienen una vacante y un átomo de nitrógeno en dos posiciones vecinas. Estos centros vacantes de nitrógeno contienen electrones en órbita cuyos espines responden de manera muy sensible a los campos eléctricos y magnéticos externos. permitiendo obtener imágenes de los campos con una resolución de solo unos pocos nanómetros.

Los científicos de la Universidad de Montpellier tomaron las medidas magnéticas utilizando los sensores cuánticos producidos en Basilea. Las muestras fueron suministradas por expertos del laboratorio CNRS / Thales de la Universidad Paris-Saclay, que son líderes en el campo de la investigación de la ferrita de bismuto.

Sensores cuánticos para el mercado

Los sensores cuánticos utilizados en la investigación son adecuados para estudiar una amplia gama de materiales, ya que proporcionan datos cualitativos y cuantitativos detallados con precisión tanto a temperatura ambiente como a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Para ponerlos a disposición de otros grupos de investigación, Patrick Maletinsky fundó la empresa emergente Qnami en 2016 en colaboración con el Dr. Mathieu Munsch. Qnami produce los sensores de diamante y brinda asesoramiento sobre aplicaciones a sus clientes de la investigación y la industria.