En 1991, El químico de la Universidad de Utah Joel Miller desarrolló el primer imán con base de carbono, u orgánico, componentes que era estable a temperatura ambiente. Fue un gran avance en magnetismo, y ha estado explorando las aplicaciones desde entonces.

Veinticinco años después, Los físicos Christoph Boehme y Valy Vardeny demostraron un método para convertir ondas cuánticas en corriente eléctrica. Ellos también, sabían que habían descubierto algo importante, pero no conocía su aplicación.

Ahora esas tecnologías se han unido y podrían ser el primer paso hacia una nueva generación de tecnologías más rápidas, electrónica más eficiente y más flexible.

Trabajando juntos, Molinero, Boehme, Vardeny y sus colegas han demostrado que un imán de base orgánica puede transportar ondas de magnetización mecánica cuántica, llamados magnones, y convertir esas ondas en señales eléctricas. Es un gran avance para el campo de la magnónica (sistemas electrónicos que usan magnones en lugar de electrones) porque anteriormente los magnones se habían enviado a través de materiales inorgánicos que son más difíciles de manejar.

"Ir a estos materiales orgánicos, tenemos la oportunidad de llevar la magnónica a un área que es más controlable que los materiales inorgánicos, "Dice Miller. Sus resultados se publican hoy en Materiales de la naturaleza.

Cómo funciona Magnonics

Antes de continuar, hablemos de qué es un magnón y cómo se puede utilizar en electrónica. La electrónica actual usa electrones para transportar información a través de cables. Los magnones también pueden conducir información a través de materiales, pero en lugar de estar compuesto de electrones, Los magnones son ondas compuestas por una propiedad cuántica llamada espín.

Imagina un estadio de fútbol lleno de fanáticos entusiastas que levantan los brazos para animar a su equipo. Digamos que la dirección en la que apuntan sus brazos es su orientación de giro. Si todos los fanáticos sostienen sus brazos en el aire al mismo tiempo, entonces la orientación de giro de todos es la misma y han hecho, en esencia, un imán.

Ahora la multitud comienza "The Wave, "excepto que en lugar de estar de pie y sentado, un pasillo de fans inclina sus brazos hacia la derecha. El siguiente pasillo recoge este cambio de giro y lo pasa a la siguiente fila. Pronto, este imán tiene una onda basada en espines que recorre el estadio.

La versión cuántica de la onda basada en espín es un magnón.

"Ahora tienes una forma de difundir información en un material, ", dice el profesor de física y coautor del artículo Boehme." Se puede pensar en la magnónica como en la electrónica. Tienes circuitos y cuando logras construir una lógica digital a partir de esto, también puedes construir computadoras ".

Bien, todavía no. Aunque los magnones son conocidos por la ciencia desde hace décadas, sólo recientemente se ha realizado su potencial para la construcción de dispositivos electrónicos.

En la actualidad, la mayoría de los investigadores de magnonics están utilizando granate de hierro ytrio (YIG) como su material portador de ondas. Es caro y difícil de producir. especialmente como una película delgada o alambre. Boehme dice que una vez consideró incorporar YIG en uno de sus instrumentos y tuvo que renunciar porque el material resultó muy problemático para manejar esa aplicación en particular.

Armando el equipo

Boehme y Vardeny, distinguido profesor de física, también estudiar el campo de las alternativas a la electrónica llamadas espintrónica, de los cuales magnonics es un subcampo. En 2016, mostraron cómo observar directamente el "efecto Hall de giro inverso, "una forma de convertir ondas de espín en corriente eléctrica.

Comenzaron a trabajar junto con Miller a través de un Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales (MRSEC) financiado por la Fundación Nacional de Ciencias en la Universidad de Utah. En 1991, Miller había producido el primer material magnético utilizando orgánicos, o a base de carbono, componentes. Los tres decidieron probar el imán orgánico de Miller para ver si podría usarse como una alternativa al YIG en materiales magnónicos. Probaron la resonancia de espín de electrones (ESR), una medida de cuánto tiempo durarían los magnones en el material. Cuanto más estrecha sea la línea de ESR, los magnones más longevos.

La línea era realmente muy estrecha, Vardeny dice. "Es un registro línea estrecha ".

Pero al trabajar con el imán de base orgánica, conocido como tetracianoetileno de vanadio o V (TCNE) _X , todavía presenta algunos desafíos. El material es muy sensible al oxígeno, similar a los imanes de tierras raras. "Si está recién hecho, es probable que se incendie ", Dice Miller." Perderá su magnetismo ". El equipo necesitaba manejar las películas delgadas de V (TCNE) _X en condiciones de poco oxígeno.

La realización de experimentos requirió un concierto de actividad, con los miembros del equipo de investigación, cada uno en su lugar correcto en el momento adecuado para continuar con la siguiente fase del experimento.

"Cuente el número de autores en el artículo, ", Dice Boehme. (Hay 14.)" Cada vez que realizamos un experimento, todos tenían que pararse allí y estar listos a tiempo para participar en este proceso ". Comenzó cuando uno de los estudiantes de Miller llegó a las 4 am para preparar un material precursor y continuó durante dos o tres días seguidos mientras los equipos de investigación pasaban el testigo del material y datos.

No todas las ejecuciones experimentales tuvieron éxito. Temprano, el equipo descubrió que el conector de cobre que estaban usando para convertir magnones en electricidad usando el efecto Hall de giro inverso estaba reaccionando con la V (TCNE) _X y por lo tanto no funcionaría. Un cambio a contactos de platino en la siguiente ejecución fue exitoso.

Resultados prometedores

En el final, el equipo informó que fueron capaces de generar magnones estables en imanes orgánicos y convertir esas ondas giratorias en señales eléctricas, un importante trampolín. La estabilidad de los magnones en la V (TCNE) _X fue tan bueno como eso en YIG.

Los investigadores tienen la esperanza de que este avance conduzca a un mayor progreso hacia la sustitución de la electrónica por magnónicos, ya que los sistemas magnónicos podrían ser más pequeños y más rápidos que los sistemas actuales con menos pérdida de calor y mucha menos energía requerida. La electrónica convencional opera en una escala de voltios, Dice Boehme. Los magnones operan en una escala de milivoltios, que contiene alrededor de 1, 000 veces menos energía.

A continuación, el equipo espera trabajar hacia circuitos magnónicos usando V (TCNE) _X , y también probar otros materiales. "Hay muchos imanes de base orgánica, "Dice Boehme." No hay razón para creer que si eliges uno al azar, es necesariamente el mejor ".

Aún está por verse aunque, lo que la promesa de magnonics podría traer más allá más rápido, Electrónica más pequeña y eficiente. "No podemos anticiparnos, "Miller dice, "lo que no podemos anticipar".