Investigadores de la Universidad de Basilea y ETH Zurich han demostrado una forma de invertir la polaridad de un ferroimán especial mediante un rayo láser enfocado. El avance apunta hacia un futuro en el que la luz se podrá utilizar para diseñar y reconfigurar circuitos electrónicos directamente en un chip.
Los ferroimanes funcionan porque una gran cantidad de pequeños momentos magnéticos se mueven juntos dentro de un material. Cada electrón tiene una propiedad llamada espín que crea un campo magnético muy pequeño. Cuando muchos de estos giros están alineados en la misma dirección, su efecto combinado crea un imán fuerte y estable, como una brújula o la puerta de un refrigerador.
Esta alineación sólo ocurre cuando las interacciones entre los espines son lo suficientemente fuertes como para superar el movimiento térmico aleatorio. Por debajo de una determinada temperatura crítica, estas interacciones cohesivas dominan y el material se vuelve ferromagnético.
Generalmente, para invertir la polaridad de un imán es necesario calentarlo por encima de esa temperatura crítica. A temperaturas más altas, la alineación ordenada se rompe, permitiendo que los espines se reorganicen. Cuando el material se enfría nuevamente, los espines adoptan una nueva orientación de articulación y el imán apunta en una dirección diferente.
Conmutación láser sin calor.
Profesor Dr. Universidad de Basilea. Thomas Smolensky y profesor de ETH Zurich. El equipo dirigido por Atak Imamoglu logró esta reordenación utilizando únicamente luz sin aumentar la temperatura. Sus resultados se publican en la revista Nature.
“Lo interesante de nuestro trabajo es que reunimos en un solo experimento tres grandes temas de la física moderna de la materia condensada: fuertes interacciones entre electrones, topología y control dinámico”, dijo Imamolu.
Para lograr esto, los investigadores trabajaron con un material cuidadosamente diseñado hecho de dos capas atómicamente delgadas del ditelluuro de molibdeno semiconductor orgánico. Las capas están apiladas con un ligero giro entre ellas, detalle que da lugar a un comportamiento electrónico inusual.
Estados topológicos y materiales cuánticos retorcidos
En esta estructura retorcida, los electrones pueden organizarse en lo que se conoce como estados topológicos. Estas condiciones pueden entenderse mediante una simple analogía. Una bola no tiene agujeros, mientras que un donut sí. No importa cómo le des forma a una bola, no puedes convertirla en un donut sin cortarla o romperla. De manera similar, los estados topológicos son fundamentalmente distintos y no pueden transformarse suavemente entre sí.
En experimentos supervisados por Smoleski e Imamolu, los investigadores pudieron sintonizar electrones en estados topológicos que se comportan como aislantes y aquellos que conducen electricidad como metales. En ambos casos, la interacción entre los electrones alinea sus espines en paralelo, creando un estado ferromagnético.
“Nuestro principal resultado es que podemos utilizar un pulso láser para cambiar la orientación colectiva de los espines”, dijo Olivier Huber, estudiante de doctorado en ETH que realizó las mediciones con Kilian Kuhlbrodt y Tomasz Smoleski. Si bien trabajos anteriores demostraron que los espines de electrones individuales se pueden manipular con luz, este estudio muestra que la polaridad de un ferroimán completo se puede cambiar de una vez. “Esta conmutación era permanente y, además, la topología influye en la dinámica de conmutación”, afirma Smoleski.
Control dinámico de estados magnéticos.
El láser hace más que simplemente invertir el imán. También puede definir nuevos límites internos dentro del material microscópico, creando regiones donde existen estados topológicos ferromagnéticos. Como este proceso puede repetirse, los investigadores pueden controlar dinámicamente las propiedades magnéticas y topológicas del sistema.
Para confirmar que el diminuto ferroimán, que medía sólo unos pocos micrómetros de diámetro, había invertido su polaridad, el equipo apuntó sobre él un segundo rayo láser más débil. Al analizar la luz reflejada, pueden determinar la orientación del espín del electrón.
“En el futuro podremos escribir ópticamente circuitos topológicos arbitrarios y adaptativos con nuestro método en un chip”, afirma Smoleski. Dichos circuitos pueden incluir pequeños interferómetros capaces de detectar campos electromagnéticos extremadamente pequeños, abriendo nuevas posibilidades para la tecnología de detección de precisión.
