Para magnetizar un clavo de hierro, basta con acariciar su superficie varias veces con una barra magnética. Sin embargo, existe un método mucho más inusual:un equipo dirigido por el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) descubrió hace algún tiempo que una determinada aleación de hierro puede magnetizarse con pulsos láser ultracortos.
Ahora los investigadores se han asociado con el Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) para investigar más a fondo este proceso. Descubrieron que el fenómeno también ocurre con una clase diferente de materiales, lo que amplía significativamente las perspectivas potenciales de aplicación. El grupo de trabajo presenta sus hallazgos en la revista Advanced Functional Materials .
El descubrimiento inesperado se realizó en 2018. Cuando el equipo de HZDR irradió una fina capa de una aleación de hierro y aluminio con pulsos láser ultracortos, el material no magnético de repente se volvió magnético.
La explicación:los impulsos del láser reorganizan los átomos en el cristal de tal manera que los átomos de hierro se acercan entre sí, formando así un imán. Luego, los investigadores pudieron desmagnetizar nuevamente la capa con una serie de pulsos láser más débiles. Esto les permitió descubrir una forma de crear y borrar pequeños "puntos magnéticos" en una superficie.
Sin embargo, el experimento piloto todavía dejó algunas preguntas sin respuesta. "No estaba claro si el efecto sólo se produce en la aleación de hierro y aluminio o también en otros materiales", explica el físico Dr. Rantej Bali del HZDR. "También queríamos intentar seguir la progresión temporal del proceso". Para realizar más investigaciones, se asoció con el Dr. Theo Pflug del LHM y colegas de la Universidad de Zaragoza en España.
Los expertos se centraron concretamente en una aleación de hierro y vanadio. A diferencia de la aleación de hierro y aluminio con su red cristalina regular, los átomos de la aleación de hierro y vanadio están dispuestos de forma más caótica, formando una estructura amorfa similar al vidrio. Para observar lo que sucede con la irradiación láser, los físicos utilizaron un método especial:el método de la bomba-sonda.
"Primero irradiamos la aleación con un potente pulso láser, que magnetiza el material", explica Theo Pflug. "Al mismo tiempo utilizamos un segundo pulso más débil que se refleja en la superficie del material."
El análisis del pulso láser reflejado proporciona una indicación de las propiedades físicas del material. Este proceso se repite varias veces, por lo que el intervalo de tiempo entre el primer pulso de "bomba" y el siguiente pulso de "sonda" se extiende continuamente.
Como resultado, se obtiene una serie temporal de datos de reflexión que permite caracterizar los procesos desencadenados por la excitación del láser. "Todo el proceso es similar a generar un libro animado", afirma Pflug. "Del mismo modo, una serie de imágenes individuales que se animan cuando se ven en rápida sucesión."
El resultado:aunque tiene una estructura atómica diferente a la del compuesto de hierro y aluminio, la aleación de hierro y vanadio también puede magnetizarse mediante láser. "En ambos casos, el material se funde brevemente en el punto de irradiación", explica Rantej Bali. "Esto hace que el láser borre la estructura anterior de modo que se genera una pequeña zona magnética en ambas aleaciones."
Un resultado alentador:aparentemente el fenómeno no se limita a una estructura material específica, sino que puede observarse en diversas disposiciones atómicas.
El equipo también sigue la dinámica temporal del proceso:"Al menos ahora sabemos en qué escalas de tiempo sucede algo", explica Theo Pflug. "En femtosegundos, el pulso láser excita los electrones del material. Varios picosegundos más tarde, los electrones excitados transfieren su energía a los núcleos atómicos."
Por consiguiente, esta transferencia de energía provoca la reordenación en una estructura magnética, que se estabiliza mediante el posterior enfriamiento rápido. En experimentos posteriores, los investigadores pretenden observar exactamente cómo se reorganizan los átomos examinando el proceso de magnetización con intensos rayos X.
Aunque aún se encuentra en sus primeras etapas, este trabajo ya proporciona ideas iniciales para posibles aplicaciones:por ejemplo, es posible colocar pequeños imanes sobre la superficie de un chip mediante láser. "Esto podría resultar útil para la producción de sensores magnéticos sensibles, como los que se utilizan en los vehículos", especula Rantej Bali. "También podría encontrar posibles aplicaciones en el almacenamiento de datos magnéticos."
Además, el fenómeno parece relevante para un nuevo tipo de electrónica:la espintrónica. En este caso, se deberían utilizar señales magnéticas para procesos informáticos digitales en lugar de electrones que pasan a través de transistores como es habitual, ofreciendo un posible enfoque a la tecnología informática del futuro.
Más información: Theo Pflug et al, Reordenamiento de red química y posicional inducido por láser que genera ferromagnetismo, Materiales funcionales avanzados (2023). DOI:10.1002/adfm.202311951
Información de la revista: Materiales funcionales avanzados
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
