Un nuevo descubrimiento experimental, dirigido por investigadores de la Universidad de Minnesota, demuestra que el elemento químico rutenio (Ru) es el cuarto elemento individual que tiene propiedades magnéticas únicas a temperatura ambiente. El descubrimiento podría usarse para mejorar los sensores, dispositivos en la industria de la memoria y la lógica de las computadoras, u otros dispositivos que utilicen materiales magnéticos.

El uso del ferromagnetismo, o el mecanismo básico por el cual ciertos materiales (como el hierro) forman imanes permanentes o son atraídos por los imanes, se remonta a la antigüedad, cuando la piedra imán se utilizaba para la navegación. Desde entonces, se ha descubierto que solo tres elementos de la tabla periódica son ferromagnéticos a temperatura ambiente:hierro (Fe), cobalto (Co), y níquel (Ni). El gadolinio (Gd), elemento de las tierras raras, casi falla por solo 8 grados centígrados.

Los materiales magnéticos son muy importantes en la industria y la tecnología moderna y se han utilizado para estudios fundamentales y en muchas aplicaciones cotidianas, como sensores, motor electrico, generadores, medios de disco duro, y más recientemente recuerdos espintrónicos. Como el crecimiento de la película delgada ha mejorado en las últimas décadas, también lo tiene la capacidad de controlar la estructura de las redes cristalinas, o incluso las estructuras de fuerza que son imposibles en la naturaleza. Este nuevo estudio demuestra que Ru puede ser el cuarto material ferromagnético de un solo elemento mediante el uso de películas ultrafinas para forzar la fase ferromagnética.

Los detalles de su trabajo se publican en el número más reciente de Comunicaciones de la naturaleza . El autor principal del artículo es un reciente Ph.D. de la Universidad de Minnesota. graduado Patrick Quarterman, quien es becario postdoctoral del Consejo Nacional de Investigación (NRC) en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).

"El magnetismo siempre es asombroso. Se demuestra de nuevo. Estamos emocionados y agradecidos de ser el primer grupo en demostrar experimentalmente y agregar el cuarto elemento ferromagnético a temperatura ambiente a la tabla periódica, ", dijo el profesor Robert F. Hartmann de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Minnesota, Jian-Ping Wang, el autor correspondiente del artículo y el asesor de Quarterman.

"Este es un problema apasionante pero difícil. Nos tomó alrededor de dos años encontrar una manera correcta de cultivar este material y validarlo. Este trabajo impulsará a la comunidad de investigación magnética a investigar los aspectos fundamentales del magnetismo para muchos elementos bien conocidos," "Añadió Wang.

Otros miembros del equipo también destacaron la importancia de este trabajo.

"La capacidad de manipular y caracterizar la materia a escala atómica es la piedra angular de la tecnología de la información moderna, "dijo el coautor del estudio Paul Voyles, profesor de Beckwith-Bascom y presidente del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Wisconsin-Madison. "Nuestra colaboración con el grupo del profesor Wang de la Universidad de Minnesota muestra que estas herramientas pueden encontrar cosas nuevas incluso en los sistemas más simples, que consta de un solo elemento ".

Los socios de la industria están de acuerdo en que la colaboración es clave para la innovación

"Intel está satisfecho con la colaboración de investigación a largo plazo que tiene con la Universidad de Minnesota y C-SPIN [Center for Spintronic Materials, Interfaces, y arquitecturas novedosas], dijo Ian A. Young, Miembro sénior y director de Intel Corporation. "Estamos emocionados de compartir estos desarrollos habilitados al explorar el comportamiento de los efectos cuánticos en los materiales, lo que puede proporcionar información para dispositivos de memoria y lógica innovadores de bajo consumo energético ”. Otros líderes de la industria están de acuerdo en que este descubrimiento tendrá un impacto en la industria de los semiconductores.

"Los dispositivos espintrónicos son cada vez más importantes para la industria de los semiconductores, "dijo Todd Younkin, el director de los consorcios patrocinados por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) en Semiconductor Research Corporation (SRC). "Avances fundamentales en nuestra comprensión de los materiales magnéticos, como los demostrados en este estudio por el profesor Wang y su equipo, es fundamental para lograr avances continuos en el rendimiento y la eficiencia informática ".

Las tecnologías novedosas requieren materiales novedosos

La grabación magnética sigue siendo el actor dominante en la tecnología de almacenamiento de datos, pero la memoria de acceso aleatorio y la informática magnética están comenzando a ocupar su lugar. Estas memorias magnéticas y dispositivos lógicos imponen restricciones adicionales a los materiales magnéticos, donde se almacenan y calculan los datos, en comparación con los materiales magnéticos tradicionales de los discos duros. Este impulso por materiales novedosos ha llevado a un renovado interés en los intentos de realizar predicciones que muestren que, en las condiciones adecuadas, materiales no ferromagnéticos, como Ru, el paladio (Pd) y el osmio (Os) pueden volverse ferromagnéticos.

Sobre la base de las predicciones teóricas establecidas, investigadores de la Universidad de Minnesota utilizaron la ingeniería de la capa de semillas para forzar la fase tetragonal de Ru, que prefiere tener una configuración hexagonal, y observó la primera instancia de ferromagnetismo en un solo elemento a temperatura ambiente. La estructura cristalina y las propiedades magnéticas se caracterizaron ampliamente mediante la colaboración con el Centro de Caracterización de la Universidad de Minnesota y colegas de la Universidad de Wisconsin.

Los investigadores dijeron que este estudio abre la puerta a estudios fundamentales de este nuevo Ru ferromagnético. Desde una perspectiva de aplicación, Ru es interesante porque es resistente a la oxidación, y las predicciones teóricas adicionales afirman que tiene una alta estabilidad térmica, un requisito vital para escalar las memorias magnéticas. El examen de esta alta estabilidad térmica es el foco de la investigación en curso en la Universidad de Minnesota.