Los científicos de la Universidad Estatal de Florida han creado un nuevo tipo de material cristalino que exhibe un comportamiento magnético raro y complejo. El descubrimiento podría abrir nuevas vías hacia la tecnología avanzada de almacenamiento de datos y futuros dispositivos cuánticos.
Resultados, publicados Revista de la Sociedad Química EstadounidenseDemuestre que una mezcla de dos elementos con composición química casi idéntica pero estructuras cristalinas muy diferentes puede formar una estructura completamente nueva. Estos cristales híbridos inesperados exhiben propiedades magnéticas que no se ven en los materiales originales.
Cómo el espín nuclear crea magnetismo
El magnetismo comienza en la escala atómica. En los materiales magnéticos, cada átomo se comporta como una pequeña barra magnética debido a una propiedad llamada espín nuclear. El espín se puede representar como una pequeña flecha que apunta en la dirección del campo magnético de un átomo.
Cuando muchos espines nucleares se alinean, ya sea apuntando en la misma dirección o en direcciones opuestas, crean la fuerza magnética familiar que se utiliza en la tecnología cotidiana, como las computadoras y los teléfonos inteligentes. Esta alineación ordenada es característica de los imanes convencionales.
El equipo de la FSU demostró que su nuevo material se comporta de manera muy diferente. En lugar de estar perfectamente alineados, los espines nucleares están organizados en patrones giratorios complejos y repetitivos. Estas disposiciones, conocidas como texturas de espín, influyen fuertemente en cómo responde un material a un campo magnético.
Creación de vórtices magnéticos a través de depresiones estructurales.
Para producir estos efectos inusuales, los investigadores combinaron deliberadamente dos compuestos que son químicamente similares pero estructuralmente diferentes. Cada compuesto tiene una simetría cristalina diferente, lo que significa que los átomos están dispuestos de forma incompatible.
Cuando estas estructuras se encuentran, ningún sistema puede dominar completamente. Esta inestabilidad en el límite crea lo que los científicos llaman “frustración” estructural, donde el sistema no puede establecerse en un patrón simple y estable.
“Pensamos que esta frustración estructural podría traducirse en frustración magnética”, dijo el coautor Michael Shatruk, profesor de la FSU en el Departamento de Química y Bioquímica. “Si las estructuras compiten, tal vez se puedan torcer los espines. Busquemos algunas estructuras que sean químicamente muy cercanas pero que tengan simetrías diferentes”.
El equipo probó esta idea combinando un compuesto de manganeso, cobalto y germanio con un compuesto de manganeso, cobalto y arsénico. El germanio y el arsénico se encuentran uno al lado del otro en la tabla periódica, lo que hace que los compuestos sean químicamente similares pero estructuralmente distintos.
Cuando la mezcla se enfrió y cristalizó, los investigadores examinaron el resultado y confirmaron la presencia de los patrones magnéticos giratorios que buscaban. Estas disposiciones de espín cicloidales se conocen como texturas de espín similares a skyramion, que son un foco importante de investigación actual en física y química.
Para mapear la estructura magnética en detalle, el equipo utilizó mediciones de dispersión de neutrones monocristalinos recopiladas en el instrumento TOPAZ en la fuente de neutrones de espalación. Esta instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. está ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge.
¿Por qué son importantes estos patrones magnéticos?
Los materiales que albergan texturas giratorias similares a las de Skyramion tienen varias ventajas tecnológicas prometedoras. Un posible uso son los discos duros de próxima generación que almacenan muchos más datos en el mismo espacio físico.
Los Skymions también se pueden mover con muy poca energía, lo que puede reducir significativamente la demanda de energía de los dispositivos electrónicos. En sistemas informáticos a gran escala con miles de procesadores, incluso pequeñas ganancias en eficiencia pueden generar grandes ahorros en energía y refrigeración.
La investigación podría ayudar a guiar el desarrollo de sistemas de computación cuántica tolerantes a fallos. Estos sistemas están diseñados para preservar información cuántica delicada y continuar funcionando de manera confiable a pesar de los errores y el ruido: el santo grial del procesamiento de información cuántica.
“Con datos de difracción de neutrones monocristalinos del topacio y nuevas herramientas de aprendizaje automático y reducción de datos de nuestro proyecto LDRD, ahora podemos resolver estructuras magnéticas muy complejas con mucha mayor confianza”, dijo Xiaoping Wang, un distinguido científico de dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge. “Esta capacidad nos permite pasar de simplemente encontrar texturas de espín inusuales a diseñarlas y optimizarlas intencionalmente para futuras tecnologías cuánticas e información”.
Diseñar materiales en lugar de buscarlos
Gran parte del trabajo previo sobre skyramions implicó buscar elementos conocidos y probarlos uno por uno para ver si aparecían los patrones magnéticos deseados.
Este estudio adoptó un enfoque más deliberado. En lugar de buscar ejemplos existentes, los investigadores diseñaron un nuevo material desde cero utilizando la frustración estructural como principio rector para crear un comportamiento magnético específico.
“Es un pensamiento químico, porque estamos pensando en cómo el equilibrio entre estas estructuras afecta las relaciones entre ellas y entre ellas, y luego cómo eso puede traducirse en relaciones entre espines nucleares”, dijo Shatruk.
Al comprender las reglas subyacentes que gobiernan estos patrones, los científicos podrán eventualmente predecir dónde se formarán texturas de espín complejas antes de que se creen los materiales.
“La idea es poder predecir dónde aparecerán estas complejas texturas de espín”, dijo el coautor Ian Campbell, estudiante de posgrado en el laboratorio de Shatruk. “Tradicionalmente, los físicos buscarían materiales conocidos que ya exhiban la simetría que están buscando y medirían sus propiedades. Pero eso limita el rango de posibilidades. Estamos tratando de desarrollar una capacidad predictiva que diga: ‘Si sumamos estas dos cosas, crearemos un material completamente nuevo con estas propiedades deseadas'”.
Esta técnica podría hacer que las tecnologías futuras sean más prácticas al ampliar la gama de materiales utilizables. Esta flexibilidad permite a los investigadores cultivar cristales más fácilmente, reducir costos y fortalecer la cadena de suministro de materiales magnéticos avanzados.
Experiencia de investigación en el Laboratorio Nacional Oak Ridge
Campbell completó parte de la investigación en el Laboratorio Nacional Oak Ridge con el apoyo de una beca de la FSU.
“Esa experiencia fue útil para esta investigación”, dijo. “Estar en Oak Ridge me permitió conectarme con los científicos de allí y utilizar su experiencia para resolver algunos de los problemas que teníamos que resolver para completar esta investigación”.
La Universidad Estatal de Florida ha sido miembro patrocinador de las Universidades Asociadas de Oak Ridge desde 1951 y un socio universitario clave en el Laboratorio Nacional. A través de esta asociación, los profesores de FSU, los investigadores postdoctorales y los estudiantes de posgrado pueden acceder a las instalaciones de ORNL y colaborar con científicos de laboratorio.
Cooperación y financiación
Otros coautores del estudio incluyen a YiXu Wang, Zachary P. Tener, Judith K. Clark y Jacnel Graterol del Departamento de Química y Bioquímica de la FSU; Andrei Rogalev y Fabrice Wilhelm de la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón; Hu Zhang y Yi Long de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing; Richard Dronkowski de la Universidad RWTH de Aquisgrán; y Xiaoping Wang del Laboratorio Nacional Oak Ridge.
La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias y se llevó a cabo en las instalaciones de la Universidad Estatal de Florida y el Laboratorio Nacional Oak Ridge.
