Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha determinado cómo utilizar los iones de hidrógeno, "bombeado" del agua en el aire a temperatura ambiente, para controlar eléctricamente el magnetismo dentro de una muestra muy delgada de un material magnético. Este enfoque para manipular las propiedades magnéticas podría acelerar los avances en informática, sensores, y otras tecnologías.

La investigación, descrito en el 12 de noviembre, 2018, edición en línea de Materiales de la naturaleza , se realizó en parte en el National Synchrotron Light Source II de Brookhaven (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Las medidas, tomada en la línea de luz de dispersión de rayos X suave coherente (CSX) de NSLS-II, fueron fundamentales para revelar el mecanismo microscópico involucrado, en particular, la presencia de iones de hidrógeno dentro de la muestra y su papel en los cambios de la estructura magnética de la muestra.

Hacia la espintrónica convencional

Entre las varias aplicaciones posibles de esta investigación está su potencial para convertirse en una nueva plataforma para el campo en desarrollo de la espintrónica, dispositivos que se basan no solo en la carga electrónica sino también en el giro electrónico, la propiedad incorporada de un electrón que lo hace actuar como un pequeño imán.

A diferencia de la electrónica estándar, que se basan en la tecnología de semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) (que se utiliza para fabricar cada uno de los miles de millones de transistores en un microchip), Los dispositivos espintrónicos están construidos sobre materiales magnéticos, que contienen átomos magnéticos como hierro o manganeso. Los dispositivos espintrónicos pueden conservar sus propiedades magnéticas sin un suministro constante de energía, a diferencia de los microchips estándar, y, porque generan mucho menos calor, son más eficientes energéticamente.

"A medida que las tecnologías CMOS se acercan al final de su hoja de ruta, Los dispositivos basados ​​en espines están siendo ampliamente perseguidos para la era más allá de CMOS, "dijo el investigador principal del estudio, Geoffrey Beach del MIT, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y codirector del Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT. "Uno de los requisitos para incorporar la espintrónica a la corriente principal es una forma eficaz de controlar eléctricamente el magnetismo. Básicamente, estamos tratando de hacer un análogo magnético de un transistor ".

Un enfoque para lograr este control es insertando iones en la estructura que pueden moverse entre las capas y modular su comportamiento electromagnético. A esto se le llama conmutación magnetoiónica. Los investigadores ya han obtenido algunos resultados prometedores, pero los tipos de iones utilizados en investigaciones anteriores causaron más problemas de los que resolvieron. En este estudio, el equipo pudo solucionar algunos de estos problemas utilizando iones de hidrógeno (H +), que son relativamente inocuos y también los iones más pequeños posibles, haciéndolos ideales para inducir cambios rápidos impulsados ​​por campos eléctricos en estructuras de estado sólido.

"La conmutación magneto-iónica es una vía importante hacia la manipulación eléctrica del magnetismo a baja potencia, "dijo el investigador principal de Brookhaven, Wen Hu, un científico de la línea de luz en la línea de luz de CSX. "Migración de iones de hidrógeno, controlado por voltajes eléctricos, juega un papel clave en esta investigación y potencialmente podría conducir a nuevas aplicaciones de dispositivos espintrónicos ".

Los rayos X confirman la bomba de protones

Los investigadores demostraron el uso de iones de hidrógeno para la conmutación magnetoiónica reversible en una estructura en capas que consta de una base de platino, cobalto, paladio, óxido de gadolinio, y un contacto de oro para rematarlo. El paladio (Pd) es bien conocido por su capacidad para almacenar hidrógeno dentro de los "rincones" de su red atómica. Colocando un voltaje a través de la muestra, y alternando entre un voltaje positivo y negativo, puede bombear hidrógeno dentro y fuera de la capa de Pd, cambiando el magnetismo hacia adelante y hacia atrás desde fuera del plano hacia dentro del plano. Esta es la primera vez que los científicos han demostrado la "hidruración" reversible de un metal pesado.

Para verificar que el hidrógeno se insertó en la capa de Pd, el grupo realizó espectroscopía de absorción de rayos X (XAS) en la línea de luz CSX. CSX ofrece a los investigadores herramientas de imágenes y dispersión de rayos X suaves de última generación, y fue diseñado para estudiar la textura electrónica y el comportamiento de materiales compuestos. Con XAS, los investigadores pueden determinar la estructura electrónica local alrededor de elementos específicos en su muestra, incluso detectando cambios muy pequeños, debido a la naturaleza sintonizable de los rayos X.

"Realizamos mediciones XAS con un haz de rayos X muy pequeño (aproximadamente 100 micrones) para apuntar a la parte activa de la estructura diseñada. Observamos un cambio claro en el espectro de Pd al cambiar el voltaje aplicado a la muestra, que era un signo de la transformación de Pd en PdH, "dijo Claudio Mazzoli, científico principal de la línea de luz en la línea de luz de CSX. "Estas mediciones proporcionaron evidencia directa del mecanismo microscópico que ocurre en las profundidades de la muestra. Por lo tanto, ahora sabemos que la inserción de hidrógeno en el dispositivo es la explicación de los cambios en las propiedades magnéticas de la muestra detectadas por las mediciones de laboratorio ".

"Este es un método muy novedoso y único, y abre una forma completamente nueva de modular los campos magnéticos en dispositivos de estado sólido, potencialmente impactando las aplicaciones espintrónicas, "dijo Hu.