Investigadores de la UAB, ICMAB y el Sincrotrón ALBA, en colaboración con la UB y el ICN2, han desarrollado una nueva técnica para modificar localmente las propiedades de un material metamagnético. El método consiste en aplicar presión local a la superficie del material mediante agujas nanométricas y permite una modificación mucho más fácil y local que los métodos actuales. La investigación abre la puerta a un control más exacto y preciso de los materiales magnéticos y permite mejorar la arquitectura y capacidad de las memorias digitales magnéticas.

Algunos dispositivos de memoria donde se almacena información de teléfonos inteligentes y computadoras se basan en un control muy preciso de las propiedades magnéticas, a escala nanoscópica. Cuanto más preciso sea este control, mayor capacidad de almacenamiento y velocidad pueden tener. En algunos casos, la combinación de ferromagnetismo (donde el magnetismo de todos los átomos en el material apunta en la misma dirección) y antiferromagnetismo (donde el magnetismo de los átomos en el material apunta alternativamente en direcciones opuestas) se utiliza para almacenar la información. Uno de los materiales que pueden presentar estos dos arreglos es la aleación de hierro y rodio (FeRh), porque muestra una transición metamagnética entre estas dos fases a una temperatura muy cercana a la temperatura ambiente. En particular, puede cambiar de estado de antiferromagnético a ferromagnético simplemente cuando se calienta. El estado antiferromagnético es más robusto y seguro que el ferromagnético, ya que no se altera fácilmente por la presencia de imanes en su proximidad, es decir, un campo magnético externo no puede borrar la información fácilmente.

Un equipo de investigadores de la UAB, el ICMAB, y el Sincrotrón ALBA, junto a científicos de la UB y del ICN2, han utilizado presión mecánica para modificar esta transición y estabilizar el estado antiferromagnético. Los investigadores han observado que presionar la superficie de la aleación de hierro-rodio con una aguja del tamaño de un nanómetro hace que el estado magnético cambie de una manera simple y localizada. Al presionar en diferentes áreas del material, los investigadores han logrado generar nanoislas antiferromagnéticas incrustadas en una matriz ferromagnética, una tarea muy difícil con las técnicas actuales disponibles. Si el proceso se repite en toda la superficie de la aleación, la nueva técnica puede inducir este cambio en grandes áreas del material dibujando patrones con resolución nanoscópica con áreas con diferentes propiedades magnéticas, generando estructuras tan pequeñas como las que actualmente se pueden lograr utilizando métodos más complejos.

Mejora para miniaturizar dispositivos magnéticos

Esta es una mejora importante para miniaturizar los patrones que se pueden construir con materiales magnéticos, una mejora en la resolución de las herramientas que utilizan los ingenieros para diseñar los dispositivos magnéticos de la tecnología que utilizamos a diario. "La idea es muy simple, "explica Ignasi Fina, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), "en transiciones de fase, todo lo que le haga al material tiene un gran impacto en las otras propiedades. Nuestra aleación tiene una transición de fase magnética. Con una aguja del tamaño de un nanómetro cambiamos el orden magnético con solo presionar el material. Específicamente, cambia de ferromagnético a antiferromagnético. Y como la aguja es nanométrica, el cambio es a nanoescala ".

“La nueva técnica basada en la aplicación de presión mediante nanoagujas puede permitir la construcción de dispositivos nanométricos magnéticos con estructuras mucho más pequeñas y mucho más robustas y seguras que las actuales, facilitando la fabricación de memorias magnéticas con diferentes arquitecturas que mejoran sus capacidades, "dice el investigador ICREA del Departamento de Física de la UAB, Jordi Sort.

Existen otras técnicas basadas en la aplicación de voltaje o campos magnéticos intensos para incrementar la estabilidad de la fase antiferromagnética de la aleación, pero provocan cambios a gran escala en todo el material, que limitan su capacidad de control y miniaturización. La aplicación de presión de una manera muy localizada ofrece una precisión sin precedentes, afectando sólo pequeñas áreas locales a escala nanométrica. Al presionar, la temperatura de transición de la aleación aumenta, la temperatura a la que cambia su estado, que implica el cambio en su magnetización.

Para resolver los cambios magnéticos alrededor de una muesca individual en la nanoescala, el trabajo utilizó la microscopía electrónica de fotoemisión combinada con dicroísmo circular magnético de rayos X en la línea de luz CIRCE-PEEM del sincrotrón ALBA. "Nuestras técnicas basadas en luz de sincrotrón permiten resolver los cambios a una escala realmente pequeña, "explica Michael Foerster, científico de línea de luz en ALBA.

Aplicaciones en otros campos

Las posibles aplicaciones van más allá de los materiales magnéticos. El hecho de modificar las propiedades de un material aplicando presión, es decir., modificando el volumen celular de su estructura cristalina, se puede extrapolar a otros tipos de materiales. Los investigadores creen que esta técnica abre la puerta a una nueva forma de nanoestructurar las propiedades físicas y funcionales de los materiales, y de implementar nuevas arquitecturas en otros tipos de nanodispositivos y microdispositivos no magnéticos.

La investigación ha sido destacada en la portada de la última edición de la revista Materiales Horizontes .