Los científicos de materiales de la Universidad de Duke han mostrado el primer ejemplo claro de que la transición de un material a un imán puede controlar las inestabilidades en su estructura cristalina que hacen que cambie de conductor a aislante.

Si los investigadores pueden aprender a controlar esta conexión única entre las propiedades físicas identificadas en el sulfuro de hierro hexagonal, podría permitir nuevas tecnologías como la computación espintrónica. Los resultados aparecen el 13 de abril en la revista. Física de la naturaleza .

Comúnmente conocido como troilita, El sulfuro de hierro hexagonal se puede encontrar de forma nativa en la Tierra, pero es más abundante en los meteoritos, particularmente los que se originan en la Luna y Marte. Rara vez se encuentra en la corteza terrestre, Se cree que la mayor parte de la troilita de la Tierra se originó en el espacio.

A pesar de su relativa rareza, la troilita se ha estudiado desde 1862 sin mucha fanfarria. Un artículo teórico reciente, sin embargo, sugirió que podría haber una nueva física en juego entre las temperaturas de 289 y 602 grados Fahrenheit, el rango de temperatura en el que la troilita se vuelve tanto magnética como aislante.

"El documento teorizó que la forma en que los átomos cambian en su estructura cristalina está afectando las propiedades del mineral a través de un efecto bastante complicado que no se ha visto antes. "dijo Olivier Delaire, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales, física y química en Duke. "El aspecto más importante es esta interacción entre las propiedades magnéticas y la dinámica atómica, que es un tema que no se ha investigado mucho antes pero que abre nuevas posibilidades en las tecnologías informáticas ".

Para llegar al corazón del comportamiento extraño del material, Delaire y sus colegas se dirigieron a Haidong Zhou, profesor asistente de física experimental de materia condensada en la Universidad de Tennessee, para la difícil tarea de cultivar cristales perfectos de troilita. Luego, los investigadores llevaron muestras al Laboratorio Nacional Oak Ridge y al Laboratorio Nacional Argonne para bombardearlas con neutrones y rayos X, respectivamente.

Cuando partículas como neutrones o rayos X rebotan en los átomos dentro de un material, los investigadores pueden tomar esta información dispersa para reconstruir su estructura atómica y su dinámica. Debido a que los neutrones tienen su propio momento magnético interno, también pueden revelar la dirección del giro magnético de cada átomo. Pero debido a que los neutrones interactúan débilmente con los átomos, Los rayos X también son muy útiles para resolver la estructura atómica de un material y las vibraciones atómicas en pequeños cristales. Los investigadores compararon los resultados de los dos escaneos diferentes utilizando modelos de mecánica cuántica creados en una supercomputadora en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para asegurarse de que entendían lo que estaba sucediendo.

Después de observar los cambios que ocurren a través de las transformaciones de fase de troilita, los investigadores descubrieron en funcionamiento mecanismos nunca antes vistos. A altas temperaturas, los giros magnéticos de los átomos de troilita apuntan en direcciones aleatorias, Haciendo que el material no sea magnético. Pero una vez que la temperatura desciende por debajo de los 602 grados Fahrenheit, los momentos magnéticos se alinean naturalmente y nace un imán.

La alineación de esos espines magnéticos cambia la dinámica de vibración de los átomos. Ese cambio hace que toda la estructura atómica cristalina se deforme ligeramente, lo que a su vez crea una banda prohibida que los electrones no pueden atravesar. Esto hace que la troilita pierda su capacidad para conducir electricidad.

"Este es el primer ejemplo claro de que la alineación de los giros magnéticos puede controlar las inestabilidades de la estructura cristalina de un material, ", dijo Delaire." Y debido a que estas inestabilidades conducen a una conexión entre las propiedades magnéticas y de conductividad del cristal, este es el tipo de material que es emocionante en términos de habilitar nuevos tipos de dispositivos ".

La capacidad de ajustar el estado magnético de un material mediante la aplicación de corrientes eléctricas, y viceversa, sería esencial para la realización de tecnologías como la electrónica de espín, Dijo Delaire. Conocido como espintrónica para abreviar, este campo emergente busca utilizar el espín intrínseco de un electrón y el momento magnético asociado para almacenar y manipular datos. Combinado con el papel tradicional de un electrón en la informática, esto permitiría que los procesadores de computadoras se volvieran más densos y eficientes.

A través de este documento, Delaire y sus colegas han identificado los controles magnéticos de los mecanismos de distorsión de la estructura cristalina, dando a los investigadores un control para manipular uno con el otro. Si bien ese mango se basa actualmente en cambios de temperatura, el siguiente paso para los investigadores es observar la aplicación de campos magnéticos externos para ver cómo pueden afectar la dinámica atómica del material.

Ya sea que troilita se convierta o no en el nuevo silicio para la próxima generación de tecnología informática, Delaire dice que encontrar este mecanismo único en un material tan conocido es una buena lección para todo el campo.

"Es sorprendente que, aunque tenga un compuesto relativamente simple, puede tener este mecanismo elegante que podría terminar habilitando nuevas tecnologías, "dijo Delaire." En cierto sentido, es una llamada de atención que necesitamos reconsiderar algunos de los materiales más simples para buscar efectos similares en otros lugares ".