La inversión perfecta de estructuras complejas es de gran importancia técnica. Los investigadores de ETH ahora han logrado convertir la estructura magnética y eléctrica de los materiales en sus opuestos utilizando un solo pulso de campo magnético.

En ambientes desagradablemente ruidosos, La reducción activa del ruido se ha utilizado en auriculares y coches de lujo en los últimos años. Un micrófono capta el ruido perturbador, a partir del cual un chip de computadora calcula las contramedidas adecuadas:ondas sonoras cuyas fases son exactamente opuestas a las del sonido ambiental. La interferencia entre esas ondas borra efectivamente el ruido. Los físicos e ingenieros buscan aplicar este principio de inversión perfecta a otras tecnologías, por ejemplo, a la estructura magnética de los materiales. El profesor de ETH Manfred Fiebig y sus colaboradores en el Departamento de Materiales en Zurich ahora han logrado hacer precisamente eso, con el apoyo de científicos de Europa, Japón y Rusia. Sus resultados se publican esta semana en la revista científica Naturaleza .

El equipo de Fiebig utilizó los llamados multiferroicos para sus experimentos. A diferencia de muchos otros materiales que tienen un orden magnético o eléctrico, los multiferroicos poseen ambos:son magnéticos y, al mismo tiempo, eléctricamente polarizado y, Como consecuencia, se alinean tanto a lo largo de campos magnéticos como eléctricos. Los mecanismos físicos que provocan el orden magnético y eléctrico dentro del material están sutilmente acoplados entre sí. Esto permite influir en la magnetización utilizando campos eléctricos en lugar de campos magnéticos. "Eso es mucho más eficiente, como se necesita corriente eléctrica para crear campos magnéticos, y eso cuesta mucha energía y genera un molesto calor residual, "explica Naëmi Leo, un ex Ph.D. estudiante en el laboratorio de Fiebig. En computadoras, por ejemplo, donde los datos se escriben constantemente en discos duros magnéticos, Multiferroics podrían ser materiales clave para ahorros de energía significativos.

Inspiración de las formas de Tangram

En ETH, que ha sido un líder internacional en la investigación de multiferroics durante bastante tiempo, Los científicos llevaron esta idea un paso más allá. "Un material que permite controlar su magnetización mediante campos eléctricos debe tener necesariamente una estructura bastante compleja, "dice Fiebig.

Utiliza el rompecabezas chino de Tangram para ilustrar ese principio:cuantas más piezas disponibles, triángulos, cuadrados y paralelogramos:las formas más elaboradas son posibles. En el caso de multiferroics, las formas corresponden a las simetrías del material, que determinan sus propiedades físicas. Cuanto más complejas sean esas simetrías, cuanto más variados son los denominados parámetros de orden. Describen la dirección en la que apunta la magnetización dentro de un multiferroico, y cómo se acopla la magnetización al orden eléctrico.

Propiedades inesperadas

Si los átomos dentro de un material están dispuestos de una manera tan complicada, También es muy probable que tenga otras propiedades que no resultan evidentes a primera vista. "Es por eso que no quisimos limitarnos a los fenómenos conocidos que se han estudiado durante mucho tiempo, sino intentar ver qué otras cosas útiles pueden hacer los multiferroicos, "Fiebig dice, e ilustra su enfoque de investigación:"¿Cómo podemos volver a combinar las piezas del rompecabezas, es decir, los parámetros del pedido, de formas diferentes a las ya conocidas, y así obtener nuevas y útiles propiedades? "

Esta apertura hacia lo inesperado ha dado sus frutos. Fiebig y sus colaboradores finalmente encontraron un multiferroico en el que la magnetización general no solo está orientada uniformemente por un campo aplicado, como siempre. Claramente, eso borraría cualquier información almacenada magnéticamente:la distribución de regiones magnetizadas positiva y negativamente dentro del material. Bastante, utilizaron el campo para invertir la magnetización en cada región individual del material. Las regiones positivamente magnetizadas fueron, por lo tanto, convertidos en magnetizados negativamente, y viceversa. La información magnética contenida en la disposición de las regiones, sin embargo, permaneció intacto en el proceso. "Es como si hubiéramos invertido todos los bits de un disco duro de una vez, "Fiebig explica." Normalmente, habría que reescribir cada bit individualmente, pero podemos hacerlo con un solo pulso de campo magnético ".

Inversión de una sola vez

Los investigadores de ETH encontraron este equivalente magnético de reducción activa de ruido en un multiferroico compuesto de cobalto, telurio y oxígeno. Debido a su compleja estructura cristalina, no solo se puede polarizar magnética y eléctricamente ese material a la vez, pero también puede tener varios parámetros de orden que describen su magnetización:uno que determina la orientación magnética de una sola región, y otro que "recuerda" la forma y disposición de esas regiones dentro de todo el material.

Usando una técnica de imagen especializada, mediante el cual la luz láser polarizada se envía a través del cristal y cambia su color en el proceso, los investigadores pudieron hacer directamente visible el proceso de inversión en el espacio.

Como si eso no fuera suficiente, los físicos también pudieron lograr una hazaña similar con roles invertidos. En un multiferroico que contiene átomos de manganeso, germanio y oxígeno, el campo magnético ahora invertido no la magnetización, sino la polarización eléctrica del material. Para los investigadores, eso es una prueba más de que los multiferroicos todavía tienen muchas sorpresas. "Probablemente haya mucho más por descubrir que ni siquiera podemos imaginar hoy, "Dice Fiebig.