Si un grupo de átomos de cobalto se alinea al norte o al sur (rojo), los átomos de cobalto vecinos se alinean al Oeste o al Este (azul). La orientación de los átomos vecinos está dentro del plano. Esta interacción requiere intercalar la capa de cobalto entre una capa de platino (abajo, beige) y una capa de óxido de aluminio (arriba, no se muestra aquí). Crédito:Instituto Paul Scherrer / Zhaochu Luo
Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI y ETH Zurich han descubierto un fenómeno especial de magnetismo en el rango nano. Permite ensamblar imanes en configuraciones inusuales. Esto podría usarse para crear memorias de computadora e interruptores para aumentar el rendimiento de los microprocesadores. Los resultados de este trabajo ya se han publicado en la revista Ciencias .
Los imanes se caracterizan por tener un polo norte y un polo sur. Si dos imanes comunes se mantienen cerca uno del otro, los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen entre sí. Es por eso que las agujas magnéticas, como los que se encuentran en una brújula, alinearse en el campo magnético de la Tierra para que podamos usarlos para determinar las direcciones cardinales Norte y Sur y, derivado de esto, Este y oeste. En el mundo que vivimos todos los días con nuestros sentidos, esta regla es correcta. Sin embargo, si abandona el mundo macroscópico y se sumerge en profundidades de dimensiones mucho más pequeñas, esto cambia. Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI y el ETH Zurich han descubierto ahora una interacción magnética muy especial al nivel de estructuras nanoscópicas hechas de capas magnéticas de solo unos pocos átomos de espesor.
Los átomos actúan como pequeñas agujas de una brújula y despliegan su efecto a distancias diminutas en el rango de los nanómetros. es decir, unas millonésimas de milímetro. Por eso los investigadores también los llaman nanoimanes.
El fenómeno que los investigadores de PSI han podido observar ahora se basa en una interacción que los dos físicos Igor Dzyaloshinskii y Toru Mariya predijeron hace más de 60 años. "Ese fue nuestro punto de partida", dice Zhaochu Luo, físico en PSI y ETH Zurich.
Acoplamiento de átomos Noroeste y Sureste
En esta interacción, las agujas de la brújula atómica no solo se alinean en una dirección norte-sur, pero también en dirección Este-Oeste. "A dónde apuntan depende de cómo se orienten los átomos de su vecindario", dice Zhaochu Luo, primer autor del estudio. Por ejemplo, si un grupo de átomos apunta al norte, el grupo vecino siempre apunta al Oeste. Y si un grupo de átomos apunta hacia el sur, luego, los átomos vecinos se orientan hacia el Este.
Estas orientaciones pueden invertirse mediante campos magnéticos o corrientes eléctricas, es decir, de norte a sur y viceversa. Los grupos atómicos vecinos se reorientan en consecuencia, ya sea de Oeste a Este o viceversa.
Zhaochu Luo, autor principal del estudio, frente a la llamada herramienta de deposición catódica. En el aparato las capas de platino, se producen cobalto y óxido de aluminio. Cada capa tiene solo unos pocos nanómetros de espesor. Crédito:Instituto Paul Scherrer / Mahir Dzambegovic
Los investigadores descubrieron el acoplamiento de la orientación noroeste y sureste con la ayuda de una capa de átomos de cobalto de solo 1,6 nanómetros de espesor. que estaba intercalado entre una capa de platino en un lado y una capa de óxido de aluminio en el otro. "El desarrollo de estas capas especiales solo para nuestros experimentos tomó alrededor de medio año", dice Zhaochu Luo. Trabaja en el grupo de investigación Mesoscopic Systems en PSI dirigido por Laura Heyderman, quien también es profesor en ETH Zurich.
Lo inusual es que esta interacción tiene lugar lateralmente, eso está en un plano. Previamente, comparable couplings between nanomagnets could only be detected vertically, with groups of atoms arranged one above the other.
The phenomenon observed jointly by PSI and ETH Zurich researchers enables the development of planar magnetic networks. Entre otras cosas, synthetic antiferromagnets can be produced. In these antiferromagnets, atomic groups point either North or South at regular intervals. The number of opposing nanomagnets is approximately the same, so that they neutralize each other in sum. This is why, at first glance, antiferromagnets do not act like magnets—for example, they do not stick to a fridge door.
The neighbouring atoms, which are oriented either to the West or to the East, act as spacers separating the magnets pointing North or South, each of which is as small as a few nanometres. This makes it possible, por ejemplo, to build new, more efficient computer memories and switches, which in turn makes microprocessors more powerful.
Logical gates for computers
The individual nanomagnets, which face either North or South, are suitable for constructing logic gates. A logic gate is a building block in a computer and functions as a kind of switch. Signals enter these gates and are then processed into an output signal. In a computer, many of these gates are networked to perform operations. Such a gate can also be constructed with the help of nanomagnets aligned to the North or South. These are analogous to processors commonly used today with transistors processing signals in binary form, which interpret all signals as zero or one. Nanomagnets that are oriented either North or South can also do this. This could make microprocessors more compact and efficient.
According to Pietro Gambardella, who supervised this study with Laura Heyderman, "this work provides a platform to design arrays of linked nanomagnets and achieve all-electric control of planar logic gates and storage devices", the scientists now write in Ciencias .
