Los investigadores de PSI han observado por primera vez cómo pequeños imanes en un diseño especial se alinean únicamente como resultado de los cambios de temperatura. Esta visión de los procesos que tienen lugar dentro del llamado espín de hielo artificial podría desempeñar un papel importante en el desarrollo de nuevas computadoras de alto rendimiento. Los resultados se publicaron hoy en la revista Nature Physics .

Cuando el agua se congela para formar hielo, las moléculas de agua, con sus átomos de hidrógeno y oxígeno, se organizan en una estructura compleja. El agua y el hielo son fases diferentes, y la transformación de agua a hielo se llama transición de fase. En el laboratorio se pueden producir cristales en los que los momentos magnéticos elementales, los llamados espines, forman estructuras comparables al hielo. Es por eso que los investigadores también se refieren a estas estructuras como espín de hielo. "Hemos producido espín de hielo artificial, que consiste esencialmente en nanoimanes que son tan pequeños que su orientación solo puede cambiar como resultado de la temperatura", explica el físico Kevin Hofhuis, quien acaba de completar su tesis doctoral en PSI y ahora trabaja en la Universidad de Yale. en los EE. UU.

En el material que usaron los investigadores, los nanoimanes están dispuestos en estructuras hexagonales, un patrón que se conoce del arte japonés de cestería bajo el nombre de kagome. "Las transiciones de fase magnéticas se habían predicho teóricamente para el hielo giratorio de kagome artificial, pero nunca antes se habían observado", dice Laura Heyderman, jefa del Laboratorio de Experimentos de Materiales Multiescala en PSI y profesora en ETH Zurich. "La detección de transiciones de fase solo ha sido posible ahora gracias al uso de litografía de última generación para producir el material en la sala limpia de PSI, así como a un método de microscopía especial en Swiss Light Source SLS". La revista Nature Physics ahora está publicando los resultados de estos experimentos.

El truco:pequeños puentes magnéticos

Para sus muestras, los investigadores utilizaron un compuesto de níquel-hierro llamado permalloy, que estaba recubierto como una película delgada sobre un sustrato de silicio. Utilizaron un proceso de litografía para formar repetidamente un pequeño patrón hexagonal de nanoimanes, con cada nanoimán de aproximadamente medio micrómetro (millonésimas de metro) de largo y una sexta parte de un micrómetro de ancho. Pero eso no es todo. "El truco fue que conectamos los nanoimanes con diminutos puentes magnéticos", dice Hofhuis. "Esto condujo a pequeños cambios en el sistema que nos permitieron ajustar la transición de fase de tal manera que pudiéramos observarla. Sin embargo, estos puentes tenían que ser muy pequeños, porque no queríamos cambiar el sistema". demasiado."

El físico todavía está asombrado de que esta empresa realmente haya tenido éxito. Con la creación de los nanopuentes, estaba superando los límites de la resolución espacial técnicamente posible de los métodos de litografía actuales. Algunos de los puentes tienen solo diez nanómetros (mil millonésimas de metro) de ancho. Los órdenes de magnitud en este experimento son realmente impresionantes, dice Hofhuis:"Si bien las estructuras más pequeñas de nuestra muestra están en el rango de nanómetros, el instrumento para obtener imágenes de ellas, SLS, tiene una circunferencia de casi 300 metros". Heyderman agrega:"Las estructuras que examinamos son 30 mil millones de veces más pequeñas que los instrumentos con los que las examinamos".

Microscopía y teoría

En la línea de luz SIM de SLS, el equipo utilizó un método especial llamado microscopía electrónica de fotoemisión que hizo posible observar el estado magnético de cada nanoimán individual en la matriz. Fueron apoyados activamente por Armin Kleibert, el científico a cargo de SIM. “Pudimos grabar un video que muestra cómo los nanoimanes interactúan entre sí a medida que cambiamos la temperatura”, resume Hofhuis. The original images simply contain black and white contrast that switched from time to time. From this, the researchers were able to deduce the configuration of the spins, that is, the alignment of the magnetic moments.

"If you watch a video like this, you don't know what phase you're in," explains Hofhuis. This called for theoretical consideration, which was contributed by Peter Derlet, PSI physicist and adjunct professor at ETH Zurich. His simulations showed what should theoretically happen at the phase transitions. Only the comparison of the recorded images with these simulations proved that the processes observed under the microscope actually are phase transitions.

Manipulating phase transitions

The new study is another achievement in the investigation of artificial spin ice that Laura Heyderman's group has been pursuing for more than a decade. "The great thing about these materials is that we can tailor them and see directly what is happening inside them," the physicist says. "We can observe all sorts of fascinating behavior, including the phase transitions and ordering that depend on the layout of the nanomagnets. This is not possible with spin systems in conventional crystals." Although these investigations are still pure fundamental research at the moment, the researchers are already thinking about possible applications. "Now we know that we can see and manipulate different phases in these materials, new possibilities are opening up," says Hofhuis.

Controlling different magnetic phases could be interesting for novel types of data processing. Researchers at PSI and elsewhere are investigating how the complexity of artificial spin ice could be used for novel high-speed computers with low power consumption. "The process is based on the information processing in the brain and takes advantage of how the artificial spin ice reacts to a stimulus such as a magnetic field or an electric current," explains Heyderman. + Explora más

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