Investigadores de la Universidad de Konstanz han descubierto un nuevo tipo de conmutación magnética ultrarrápida investigando las fluctuaciones que normalmente tienden a interferir con los experimentos en forma de ruido.
El ruido de la radio cuando la recepción es mala es un ejemplo típico de cómo las fluctuaciones enmascaran una señal física. De hecho, dicha interferencia o ruido se produce en cada medición física además de en la señal real.
"Incluso en el lugar más solitario del universo, donde no debería haber nada, todavía se producen fluctuaciones del campo electromagnético", afirma el físico Ulrich Nowak.
En el Centro de Investigación Colaborativa (CRC) 1432 "Fluctuaciones y no linealidades en la materia clásica y cuántica más allá del equilibrio" de la Universidad de Konstanz, los investigadores no ven este ruido omnipresente como un factor perturbador que deba eliminarse, sino como una fuente de información que nos dice algo sobre la señal.
Este método ha dado buenos resultados en la investigación de antiferromagnetos. Los antiferroimanes son materiales magnéticos en los que las magnetizaciones de varias subredes se anulan entre sí. Sin embargo, los aislantes antiferromagnéticos se consideran prometedores como componentes energéticamente eficientes en el campo de la tecnología de la información. Como apenas tienen campos magnéticos en el exterior, son muy difíciles de caracterizar físicamente. Sin embargo, los antiferroimanes están rodeados de fluctuaciones magnéticas, lo que puede decirnos mucho sobre este material débilmente magnético.
Con este espíritu, los grupos de los científicos de materiales Ulrich Nowak y Sebastian Gönnenwein analizaron las fluctuaciones de los materiales antiferromagnéticos en el contexto del CRC. El factor decisivo en su estudio teórico y experimental, publicado recientemente en la revista Nature Communications , era el rango de frecuencia específico.
"Medimos fluctuaciones muy rápidas y hemos desarrollado un método con el que aún se pueden detectar fluctuaciones en la escala de tiempo ultracorta de femtosegundos", afirma el físico experimental Gönnenwein. Un femtosegundo es una millonésima de milmillonésima de segundo.
En escalas de tiempo más lentas, se podrían utilizar dispositivos electrónicos que sean lo suficientemente rápidos para medir estas fluctuaciones. En escalas de tiempo ultrarrápidas, esto ya no funciona, por lo que fue necesario desarrollar un nuevo enfoque experimental. Se basa en una idea del grupo de investigación de Alfred Leitenstorfer, que también es miembro del Collaborative Research Center. Empleando tecnología láser, los investigadores utilizan secuencias de pulsos o pares de pulsos para obtener información sobre las fluctuaciones.
Inicialmente, este método de medición se desarrolló para investigar las fluctuaciones cuánticas y ahora se ha extendido a las fluctuaciones en los sistemas magnéticos. Takayuki Kurihara de la Universidad de Tokio desempeñó un papel clave en este desarrollo como tercer socio de cooperación. Fue miembro del grupo de investigación Leitenstorfer y del Zukunftskolleg de la Universidad de Konstanz de 2018 a 2020.
En el experimento, se transmiten dos pulsos de luz ultracortos a través del imán con un retraso de tiempo, probando las propiedades magnéticas durante el tiempo de tránsito de cada pulso, respectivamente. Luego se comprueba la similitud de los pulsos de luz utilizando una electrónica sofisticada. El primer pulso sirve como referencia, el segundo contiene información sobre cuánto ha cambiado el antiferroimán en el tiempo entre el primer y el segundo pulso. Diferentes resultados de medición en ambos momentos confirman las fluctuaciones. El grupo de investigación de Nowak también modeló el experimento mediante elaboradas simulaciones por ordenador para comprender mejor sus resultados.
Un resultado inesperado fue el descubrimiento del llamado ruido telegráfico en escalas de tiempo ultracortas. Esto significa que no sólo hay ruidos desordenados, sino también fluctuaciones en las que el sistema cambia entre dos estados bien definidos. Nunca antes se había observado una conmutación tan rápida y puramente aleatoria y podría ser interesante para aplicaciones como los generadores de números aleatorios. En cualquier caso, las nuevas posibilidades metodológicas para analizar fluctuaciones en escalas de tiempo ultracortas ofrecen un gran potencial para futuros descubrimientos en el campo de los materiales funcionales.
Más información: M. A. Weiss et al, Descubrimiento de conmutación de espín espontánea ultrarrápida en un antiferroimán mediante espectroscopia de correlación de ruido de femtosegundos, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43318-8
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Konstanz
