La producción de dispositivos para almacenar o transmitir información es una de las aplicaciones tecnológicas más frecuentes del magnetismo. Un estudio teórico y experimental realizado en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP) en Brasil ha descubierto una forma ultrarrápida de magnetizar la materia con un consumo mínimo de energía.

Usando una técnica llamada magnetización por luz, los investigadores magnetizaron una muestra de seleniuro de europio (EuSe) en 50 picosegundos con una bombilla de 50 vatios ubicada a unos centímetros de distancia. Un picosegundo es una billonésima de segundo.

Un artículo que describe el experimento, titulado "Conmutación ultrarrápida de ferromagnetismo en EuSe, "fue publicado recientemente en Cartas de revisión física .

El experimento fue realizado por André Bohomoletz Henriques, profesor titular en IF-USP, y colaboradores con el apoyo de la Fundación de Investigaciones de São Paulo — FAPESP.

“Nuestro objetivo era encontrar nuevos mecanismos para cambiar el magnetismo de los materiales en una escala de tiempo ultracorta utilizando solo luz. La novedad de nuestra investigación es que hace posible una magnetización muy fuerte con cantidades muy pequeñas de luz, "Dijo Henriques.

El proceso se derivó experimentalmente en el Laboratorio de Magnetoóptica de la Universidad de São Paulo, pero interpretar el fenómeno requirió un trabajo teórico sustancial, que involucran procedimientos tales como cálculos mecánicos cuánticos autoconsistentes y simulaciones de Monte Carlo, por parte del grupo dirigido por Henriques.

La magnetización de un material está asociada con el ordenamiento espacial de los espines de sus partículas constituyentes. En un material no magnetizado, los espines de sus átomos (resultantes de los espines de sus electrones) están desordenados. Debido a que la magnitud del vector está involucrada, el giro de cada átomo apunta en una dirección arbitraria. En determinadas situaciones, estos giros se pueden ordenar por luz, cuales, como resultado, Puede magnetizar completamente un material inicialmente desordenado. La imagen de arriba ilustra el proceso de magnetización por luz.

El material elegido para el experimento fue el semiconductor seleniuro de europio (EuSe), en el que cada fotón ordenó los giros de 6, 000 electrones.

"Esto sucede porque cuando un fotón interactúa con un electrón, cambia un estado que está fuertemente ubicado en el átomo a un estado que se extiende a muchos átomos, "Explicó Henriques." El resultado es que en un tiempo extraordinariamente corto, unos 50 picosegundos, todos los átomos al alcance de la función de onda del electrón cambian sus espines en una dirección común, creando un momento magnético súper gigantesco acercándose a las 6, 000 Magnetones de Bohr. Eso es equivalente al momento magnético de 6, 000 electrones con espines apuntando todos en la misma dirección. El resultado, considerado inesperado y espectacular por los revisores de pares para Physical Review Letters, fue eso con un solo fotón, pudimos alinear los giros de 6, 000 electrones ".

El giro se entiende popularmente como la rotación de una partícula alrededor de un eje, pero esta concepción no se corresponde con la realidad y solo sirve como representación de una partícula asociada a una corriente eléctrica equivalente a un momento magnético.

Las partículas no solo tienen masa inercial y carga eléctrica, sino también una tercera propiedad física llamada espín. Esta propiedad, caracterizado como un vector (es decir, una cantidad física con magnitud y dirección), describe el momento magnético de la partícula. Como la aguja de una brújula que está orientado en una dirección norte-sur por la atracción del campo magnético de la Tierra porque tiene un momento magnético, El giro de una partícula también tiende a apuntar en la dirección del campo magnético que actúa sobre ella.

"Para magnetizar el seleniuro de europio, el fotón debe tener suficiente energía para transferir un electrón desde una órbita muy cercana al núcleo atómico a una órbita distante en la banda de conducción. Como resultado de esta transferencia, el electrón interactúa magnéticamente con miles de átomos cercanos. La interacción entre el momento magnético del electrón y los momentos magnéticos de los átomos cercanos alinea todos sus espines, "dijo el investigador apoyado por la FAPESP.

Interacción anti-ferromagnética

Se eligió el seleniuro de europio debido a su alta susceptibilidad magnética, lo que da como resultado la fuerte tendencia de los giros de los átomos a alinearse bajo el efecto de un campo magnético muy pequeño.

"Además de la interacción magnética entre el electrón y los átomos de europio, también existe una interacción magnética entre los propios átomos de europio. La interacción entre los primeros vecinos es ferromagnética; en otras palabras, favorece la alineación en la misma dirección. Pero la interacción entre segundos vecinos es anti-ferromagnética y favorece la alineación en direcciones opuestas, "Dijo Henriques.

"Estas dos interacciones casi se anulan entre sí. En realidad, la interacción anti-ferromagnética casi prevalece. Por esta razón, en condiciones habituales, el material se encuentra en estado anti-ferromagnético, sin magnetismo. Sin embargo, cualquier alteración menor, como la presencia de un electrón, puede alterar este delicado equilibrio de interacciones y favorecer el estado ferromagnético, es decir, la alineación de todos los giros en el cristal en la misma dirección, magnetizando el material casi al instante ".

Existen diferentes formas de interacción magnética. La forma más conocida es la interacción dipolar, que caracteriza la atracción entre dos imanes, pero también hay interacción de intercambio, que es mucho más fuerte e influye en el magnetismo de la aguja de una brújula o un imán de nevera.

La interacción de intercambio es de origen electrostático y constituye un fenómeno cuántico derivado del principio de exclusión de Pauli, que no tiene análogo en la física clásica. Este proceso hace posible la magnetización ultrarrápida por la luz con un consumo mínimo de energía.

Aunque llevaron a cabo este estudio estrictamente como investigación básica, Henriques y su equipo son conscientes de las posibles aplicaciones tecnológicas en el contexto de la industria electrónica en rápido avance. Según un editorial publicado en marzo de 2018 en la revista Física de la naturaleza , la manipulación del magnetismo en materiales anti-ferromagnéticos como el seleniuro de europio es un campo de investigación emergente con un potencial prometedor para su aplicación en dispositivos electrónicos.