Una nueva investigación sobre un semiconductor atómicamente delgado demuestra cómo se puede controlar el magnetismo de un material utilizando pequeñas cantidades de tensión. Publicado en Nanotecnología de la naturaleza , este estudio proporciona información clave para aplicaciones que van desde nuevos dispositivos espintrónicos hasta discos duros más rápidos. Esta investigación fue realizada por el estudiante graduado Zhuoliang Ni y dirigida por el profesor asistente Liang Wu en colaboración con Charlie Kane y Eugene Mele de Penn. así como investigadores de la Universidad de Tennessee, Knoxville, Universidad Texas A &M, la Universidad de Friburgo, y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

El laboratorio de Wu se centra principalmente en experimentos con materiales topológicos. Pero, con estudios recientes sobre los efectos fotogalvánicos de dos aleaciones metálicas y el descubrimiento de partículas exóticas en monosilicida de cobalto, el último artículo del laboratorio sobre triselenuro de fósforo y manganeso (MnPSe3), un material semiconductor, profundiza en conceptos en torno a la simetría, una característica física o matemática de un sistema que no cambia cuando se somete a ciertas transformaciones. La simetría es una idea clave en física, de las leyes de la conservación al comportamiento de las partículas, y es fundamental para comprender los materiales que tienen o conmutable, estados magnéticos como MnPSe3.

Existen diferentes tipos de imanes. Para materiales ferromagnéticos, todos los electrones giran en la misma dirección e imbuyen al material con un magnetismo espontáneo que les permite adherirse a ciertos tipos de metales. A diferencia de, materiales antiferromagnéticos, como MnPSe3, tienen un patrón con un número igual de electrones con espines hacia arriba y hacia abajo en una disposición antiparalela. Esto cancela sus momentos magnéticos generales, lo que significa que no tienen un campo disperso externo como los materiales ferromagnéticos; sin embargo, todavía tienen electrones con diferentes orientaciones de espín.

Los discos duros existentes se basan en materiales ferromagnéticos, donde los cambios en las direcciones del espín del electrón representan los bits, o los ceros y unos, que componen la memoria, pero existe interés en desarrollar dispositivos de memoria a partir de materiales antiferromagnéticos. Por ejemplo, la información almacenada en dispositivos ferromagnéticos se puede perder si hay otro campo magnético presente. Estos dispositivos también están limitados en la rapidez con que pueden operar por el tiempo que lleva cambiar manualmente un poco, en el rango de nanosegundos. Materiales antiferromagnéticos, por otra parte, son capaces de cambiar sus orientaciones de giro mucho más rápidamente, en el rango de picosegundos, y también son mucho menos sensibles a los campos magnéticos externos.

Pero aunque los materiales antiferromagnéticos tienen algunas ventajas, trabajar con este tipo de material, especialmente uno que es bidimensional, es técnicamente desafiante, dice Wu. Para estudiar este material, Ni y Wu tuvieron que desarrollar primero una forma de medir señales diminutas sin entregar demasiada energía que dañaría el material atómicamente delgado. "Al utilizar un contador de fotones, pudimos bajar el ruido, "Dice Wu." Ese es el avance técnico que nos permitió detectar el antiferromagnetismo en la monocapa ".

Usando su nuevo enfoque de imágenes, los investigadores encontraron que podían "cambiar" el material para que estuviera en una fase antiferromagnética a bajas temperaturas. También encontraron que el material tenía menos estados, similar a los bits utilizados en la memoria de la computadora, que lo esperado. Los investigadores solo observaron dos estados a pesar de que, basado en su simetría rotacional, se predijo que tendría seis estados.

Wu se dirigió a Kane y Mele para proponer una teoría que pudiera ayudar a explicar estos resultados inesperados. y a través de esta colaboración se dio cuenta del impacto significativo que la tensión lateral, como estirar o cortar, podría tener en su simetría. "Una muestra perfecta tiene una simetría rotacional triple, pero si algo tira de él ya no es lo mismo si lo gira 120 °, "dice Kane." Una vez que Liang sugirió que podría haber tensión, fue inmediatamente obvio como teórico que debían seleccionarse dos de los seis dominios ".

Después de experimentos de seguimiento que confirmaron su hipótesis, Los investigadores también se sorprendieron de lo poderosa que podría ser una pequeña cantidad de tensión para cambiar las propiedades del material. "En el pasado, la gente utilizó la tensión para cambiar la dirección de giro, pero en nuestro caso lo importante es que una pequeña cantidad de tensión puede controlar el giro, y eso se debe a que el papel de la cepa es realmente fundamental en la transición de fase en nuestro caso, "Dice Wu.

Con esta nueva perspectiva, los investigadores dicen que este estudio podría ser un punto de partida para controlar mejor las propiedades antiferromagnéticas utilizando pequeños cambios en la tensión. La deformación también es una propiedad mucho más fácil de controlar en esta clase de materiales, que actualmente requieren un campo magnético masivo, del orden de varios tesla, para cambiar la dirección de giro del electrón y podría ser una especie de dial o perilla que podría cambiar el orden magnético, o el patrón de espines del electrón.

"La ausencia de campos perdidos en los materiales antiferromagnéticos significa que no tienes nada macroscópico que puedas usar para manipular el momento, "dice Mele, "Pero hay cierto grado de libertad interna que te permite hacerlo acoplándote directamente al pedido".

Para estudiar más este material, Ni está trabajando en varios experimentos de seguimiento. Esto incluye ver si los campos eléctricos y los pulsos pueden cambiar la dirección de giro y evaluar el uso de pulsos de terahercios. la frecuencia de resonancia natural de los materiales antiferromagnéticos, en el control tanto de la dirección de giro de los electrones como de la velocidad de conmutación. "Posiblemente podamos usar terahercios para controlar los giros, "Ni dice sobre este sistema, que también es un régimen de experiencia para el laboratorio de Wu. "Terahercios es mucho más rápido que gigahercios, y para los giros antiferromagnéticos, es posible que podamos usar terahercios para controlar el cambio ultrarrápido de un estado a otro ".

"Los materiales antiferromagnéticos brindan nuevas y emocionantes oportunidades para crear dispositivos espintrónicos más rápidos para el procesamiento de información, así como nuevas formas de generación eficiente de radiación de terahercios, que es la parte del espectro electromagnético para comunicaciones inalámbricas más allá de 5G, "dice Joe Qiu, gerente de programa de Electrónica de Estado Sólido y Electromagnetismo en la Oficina de Investigación del Ejército, que financió este estudio. "Todas estas son tecnologías importantes para los futuros sistemas electrónicos del Ejército".