Durante décadas, los científicos han estado estudiando un grupo de materiales inusuales llamados multiferroicos que podrían ser útiles para una variedad de aplicaciones, incluidas memorias de computadora, sensores químicos y computadoras cuánticas. En un estudio publicado en La naturalezainvestigadores de la Universidad de Texas en Austin y el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) demostraron que el material multiferroico en capas de yoduro de níquel (NiI)2) puede ser el mejor candidato hasta el momento para dispositivos ultrarrápidos y compactos.
Los multiferroicos tienen una propiedad especial llamada acoplamiento magnetoeléctrico, lo que significa que se pueden acoplar las propiedades magnéticas del material con un campo eléctrico y viceversa, las propiedades eléctricas con campos magnéticos. Los investigadores encontraron NiI2 Tiene mayor acoplamiento magnetoeléctrico que cualquier material conocido de su tipo, lo que lo convierte en un candidato ideal para el desarrollo tecnológico.
“Descubrir estos efectos a escala de escamas de yoduro de níquel atómicamente delgadas fue un gran desafío”, dijo Frank Gao, becario postdoctoral en física en la UT y coautor del artículo, “pero nuestro logro es un gran avance en el campo. Ofrece progreso.
“Nuestro descubrimiento allana el camino para dispositivos magnetoeléctricos ultrarrápidos y energéticamente eficientes, incluidas las memorias magnéticas”, añadió el estudiante graduado Xinyu Peng, otro coautor principal del proyecto.
Los campos eléctricos y magnéticos son fundamentales para nuestra comprensión del mundo y para las tecnologías modernas. Dentro del material, las cargas eléctricas y los momentos magnéticos atómicos pueden ordenarse de tal manera que sus propiedades aumentan, creando polarización eléctrica o magnetización. Estos materiales se denominan ferroeléctricos o ferroimanes, según cuál de estas cantidades se encuentre en el estado ordenado.
Sin embargo, en materiales exóticos que son multiferroicos, estos órdenes eléctrico y magnético coexisten. Los órdenes magnético y eléctrico pueden entrelazarse de tal manera que un cambio en uno provoca un cambio en el otro. Esta propiedad, denominada acoplamiento magnetoeléctrico, convierte a estos materiales en candidatos atractivos para dispositivos más rápidos, más pequeños y más eficientes. Para que estos dispositivos funcionen eficazmente, es importante encontrar materiales con un acoplamiento magnetoeléctrico especialmente fuerte, como describe el equipo de investigación con el NiI.2 En su estudio.
Al excitar el material con pulsos de láser ultracortos en el rango de femtosegundos (una millonésima de una billonésima de segundo) y luego ajustar los órdenes eléctricos y magnéticos del material y el acoplamiento magnetoeléctrico a propiedades ópticas específicas, los investigadores lograron esto rastreando los efectos.
Comprender por qué el acoplamiento magnetoeléctrico es mucho más fuerte en NiI.2 En comparación con materiales similares, el equipo realizó cálculos exhaustivos.
“Aquí juegan dos factores un papel importante”, afirmó el coautor del MPSD, Emil Vinas Boström. “Uno de ellos es el fuerte acoplamiento entre el espín y el movimiento orbital de los electrones en los átomos de yodo, un efecto relativista conocido como acoplamiento espín-órbita. El otro factor es la forma específica de ordenamiento magnético en el yoduro de níquel, llamada espiral de espín o hélice de espín, esta disposición es crucial para el inicio del orden ferroeléctrico y la fuerza del acoplamiento magnetoeléctrico”.
Materiales como NiI2 Según los investigadores, el acoplamiento magnetoeléctrico grande tiene una amplia gama de aplicaciones potenciales. Estos incluyen la memoria magnética de la computadora, que es compacta, energéticamente eficiente y puede almacenarse y recuperarse mucho más rápido que la memoria actual. Las plataformas de computación cuántica están interconectadas. y sensores químicos que pueden garantizar el control de calidad y la seguridad de los medicamentos en las industrias química y farmacéutica.
Los investigadores esperan que este conocimiento innovador pueda utilizarse para identificar otros materiales con propiedades magnetoeléctricas similares y que otras técnicas de ingeniería de materiales puedan conducir a una mayor mejora del acoplamiento magnetoeléctrico en NiI.2.
El trabajo fue concebido y supervisado por Eduardo Baldini, profesor asistente de física de la UT, y Ángel Rubio, director del MPSD.
Otros autores de UT que participan en el artículo son Dong Seob Kim y Xiaokun Lee. Otros autores de MPSD son Xinle Cheng y Peizhe Tang. Los autores adicionales son Ravish K. Jain, Deepak Vishnu, Kalaivan Raju, Raman Sankar y Shang Fan Li de la Academia Seneca; Michael A. Santiff de la Universidad de Bremen; y Takashi Kuromaji del Instituto de Tecnología de California.
La financiación para esta investigación fue proporcionada por la Fundación Robert A. Welch, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU., el Programa de Investigación e Innovación Horizonte Europa de la Unión Europea, el Grupo de Excelencia “CUI: Advanced Imaging of Matter Who was”. Grupos Consolidados, el Centro Max Planck-Nueva York para Fenómenos Cuánticos sin Equilibrio, la Fundación Simons y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán.
