A veces, una buena teoría solo necesita los materiales adecuados para que funcione. Ese es el caso de los hallazgos recientes de los físicos de UT y sus colegas, quien diseñó un sistema magnético bidimensional que apunta a la posibilidad de dispositivos con mayor seguridad y eficiencia, utilizando solo una pequeña cantidad de energía. Explotando una simetría oculta en el material, sus resultados apoyan una teoría propuesta por primera vez hace 20 años.

Mantener el control sin perder flexibilidad

La gente conoce el magnetismo desde la antigüedad, pero todavía está aprendiendo cómo funciona. especialmente a escala cuántica. En ferromagnetos, los átomos y sus vecinos tienen momentos magnéticos (causados ​​por el giro) que se alinean todos en la misma dirección. Podemos controlar fácilmente esa dirección mediante un campo magnético externo. En antiferromagnetos, sin embargo, los momentos magnéticos se anti-alinean con sus vecinos y se alternan uno por uno. Esta alineación de espín microscópica protege perfectamente cualquier campo magnético externo y está oculta del mundo exterior. Los antiferromagnetos fueron descubiertos por Louis Néel en 1948, pero fueron descritos en su conferencia del Nobel de 1970 como teóricamente interesantes pero tecnológicamente inútiles.

Jian Liu, profesor asistente de física, Explicó que generalmente los giros en un antiferromagnet pueden rotar como quieran siempre y cuando se mantenga el anti-alineamiento. Pero, si la interacción entre los átomos es anistrópica, "le dará al giro una cierta dirección preferencial". Esta es la interacción DM (Dzyaloshinskii-Moriya) que se origina a partir del efecto relativista, y Liu explicó que hace dos cosas. Primero, inclina (o inclina) los giros ligeramente alejándose del perfecto anti-alineamiento, lo cual es bueno porque esto significa que un campo magnético externo no estará completamente protegido y puede acoplarse a los giros inclinados, incluso si están escalonados. Hay una compensación sin embargo, en que, si bien esta interacción permite inclinarse, fija la dirección.

"Así que estás ganando algo de control, "Liu dijo, "pero también estás perdiendo algo de flexibilidad. Y eso se equilibra".

Para solucionar este problema, él y un equipo de colegas investigadores explotaron una simetría de espín oculta:SU (2).

"SU (2) es en realidad una terminología que los teóricos y matemáticos usan en la teoría de grupos, "Dijo Liu." Lo que significa es que el giro es isotrópico, puede apuntar en cualquier dirección que desee ".

Sin embargo, ¿cómo? exactamente, ¿Está oculta esta simetría?

Liu dijo que se esconde si solo miras las cosas desde una escala local.

"Por ejemplo, si te sientas en un giro, y miras a tu alrededor ves un ambiente muy anisotrópico, ", explicó." Básicamente, los otros giros, tus vecinos, te dicen que tienes que cantar (de cierta manera) para ser compatible con ellos. Si observa una escala muy global, si considera todos los giros, resulta que todo el sistema es perfectamente isótropo y conserva esta simetría rotacional.

"Puedes pensarlo de esta manera, " él continuó, "hace cientos de años, la gente pensaba que la tierra era plana. Eso es porque estábamos sentados a una escala muy local. Pensamos que si seguíamos caminando en una dirección nunca volveríamos al mismo punto. Pero resulta que la tierra es una esfera así que si continúas caminando hacia el norte en algún punto pasas el poste y luego regresas. Entonces, si miras la tierra a escala global, ves que tiene simetría rotacional, que no notarías si estuvieras atado a la superficie ".

Añadiendo suficiente espacio

El papel de esta simetría global en los sistemas antiferromagnéticos se predijo en realidad hace dos décadas. Liu dijo que si bien la teoría era fascinante, el material utilizado para probarlo no era adecuado para la tarea.

Para sus estudios, él y sus colegas cultivaron muestras hechas de estroncio, iridio y oxígeno (SrIrO3), así como el estroncio, titanio, y oxígeno (SrTiO3) y, utilizando deposición láser pulsado, los cultivó en una capa base de SrTiO3 de solo un cristal de espesor. Se centraron en tres puntos:la química del material, preservación de la simetría, y una capa adicional crucial. Iridium demostró ser una opción importante porque proporcionó una fuerte interacción con DM. La estructura permite la simetría oculta, en gran parte porque el equipo separó las capas con un "espaciador" de SrTiO3 para que cada capa tuviera sus propias propiedades bidimensionales.

La inspiración para esta investigación se produjo el año pasado después de que Liu y otros científicos publicaran resultados sobre el control de materiales ultrafinos en Cartas de revisión física . Explicó que una vez que encontraron una manera de separar las capas para explorar propiedades bidimensionales intrínsecas, se dieron cuenta de que tenían un material que podía probar la teoría de la simetría.

Sistemas más seguros; Cambio más rápido

Aparte del descubrimiento científico, Estos últimos hallazgos de investigación también presentan el potencial para controlar el antiferromagnetismo para dispositivos más seguros y eficientes.

Como explicó Liu, la mayoría de los dispositivos magnéticos actuales se basan en materiales ferromagnéticos.

"Sin embargo, estamos llegando al límite del rendimiento de los ferroimanes, ", dijo." Tenemos que encontrar otra forma de superar la barrera técnica. El antiferromagnetismo ofrece otra opción. Por ejemplo, Los materiales antiferromagnéticos tienen este giro anti-alineado. Entonces, si miras un antiferromagnet, no hay ningún campo magnético a su alrededor. En realidad, no le parece diferente de un material que no es magnético, porque se compensan plenamente ".

¿Qué significa eso? él continuó, es que no queremos que los bits en el disco duro de nuestra computadora se acerquen demasiado entre sí porque cada bit es un ferromagnético. Esto limita la densidad del almacenamiento de información.

"Ahora bien, si los bits son antiferromagnéticos, serán magnéticamente invisibles entre sí, y puedes empacarlos uno al lado del otro, ", dijo." Esencialmente, la capacidad de almacenamiento aumentará drásticamente ".

Otro posible beneficio es la conmutación de dispositivos más eficiente.

Liu dijo que cambiar los giros hacia arriba y hacia abajo en ferromagnetismo es un proceso lento y costoso de energía porque tenemos que cambiar su campo magnético en una escala macroscópica. Con los espines anti-alineados en antiferromagnetos bajo la simetría oculta, él dijo, "no muestra ningún campo magnético, y solo necesitamos aplicar un poco de energía para encenderlo, apagarlo o rotarlo. La cantidad de energía que ponemos en el sistema es muy pequeña en comparación con la energía de auto-anti-alineación, pero los giros aún responden instantáneamente, y eso hace que el proceso de cambio sea mucho más rápido ".

La importancia de la colaboración y la inversión

Los resultados iniciales fueron muy alentadores, sin embargo, el equipo experimental quería una verificación adicional.

"Al principio no podíamos creer lo que vimos porque los efectos eran realmente fuertes y la cantidad de energía que pones en el sistema es una milésima parte de (su) energía interna, ", explicó." Casi suena demasiado bueno para ser verdad ".

Para validación, llevaron sus preguntas al profesor de física de UT (y presidente de Lincoln) Cristian Batista, un teórico en física de la materia condensada.

"Nos guió a través de todos los detalles de la teoría y se le ocurrió la explicación:no solo cualitativamente sino también cuantitativamente, "Dijo Liu." Hizo la simulación y descubrió que todo encajaba perfectamente en los requisitos de esa teoría de la simetría oculta ".

Los resultados fueron publicados en Física de la naturaleza .