La mayoría de los imanes que encontramos a diario están hechos de materiales «ferromagnéticos». Los ejes magnéticos norte-sur de la mayoría de los átomos en estos materiales se alinean en la misma dirección, por lo que su fuerza colectiva es lo suficientemente fuerte como para producir una atracción gravitacional significativa. Estos materiales forman la base de la mayoría de los dispositivos de almacenamiento de datos en el mundo de alta tecnología actual.
Menos común es un imán basado en materiales ferromagnéticos con la letra «i». En estos, algunos de los átomos están alineados en una dirección, pero otros están alineados con precisión en la dirección opuesta. Como resultado, el campo magnético total que producen depende del equilibrio entre los dos tipos: si se dirigen más átomos en una dirección que en la otra, esta diferencia da como resultado un campo magnético neto en esa dirección.
En principio, debido a sus propiedades magnéticas que se ven fuertemente afectadas por fuerzas externas, los materiales ferromagnéticos deberían poder producir almacenamiento de datos o circuitos lógicos que son mucho más rápidos y pueden empaquetar más datos en un espacio dado que los ferroimanes convencionales actuales. Pero hasta ahora no ha habido una forma simple, rápida y confiable de cambiar la orientación de estos imanes, para cambiar de 0 a 1 en un dispositivo de almacenamiento de datos.
Investigadores del MIT y otros lugares han desarrollado un método de este tipo, un método para cambiar rápidamente la polaridad magnética de un ferromagnético de 180 grados, utilizando un pequeño esfuerzo aplicado. Los investigadores dicen que el descubrimiento podría presagiar una nueva era de dispositivos de almacenamiento de datos y lógica ferromagnética.
Los resultados aparecen en la revista Nanotecnología de la naturaleza, en un artículo del postdoctorado Mantao Huang, el profesor de ciencia y tecnología de materiales del MIT Jeffrey Beech y el profesor de ciencia y tecnología nuclear Bilge Yildiz, junto con otros 15 en el MIT y en Minnesota, Alemania, España y Corea.
El nuevo sistema utiliza una película de un material llamado gadolinio cobalto, que forma parte de una clase de materiales conocidos como ferromagnetos de metales de transición de tierras raras. En él, los dos elementos forman redes entrelazadas de átomos, los átomos de gadolinio prefieren sus ejes magnéticos alineados en una dirección, mientras que los átomos de cobalto apuntan en la dirección opuesta. El equilibrio entre los dos determina la composición de la aleación magnética total del material.
Pero los investigadores encontraron que al usar un potencial eléctrico para dividir las moléculas de agua a lo largo de la superficie de la película en oxígeno e hidrógeno, el oxígeno podría ventilarse mientras que los átomos de hidrógeno, o más precisamente sus núcleos, que son protones individuales, podrían penetrar en el material profundamente. Esto cambia el equilibrio de las direcciones magnéticas. El cambio es suficiente para cambiar la dirección del campo magnético neto 180 grados, exactamente el tipo de inversión total requerida para dispositivos como las memorias magnéticas.
«Descubrimos que al cargar hidrógeno en esta estructura, podemos reducir mucho el momento magnético del gadolinio», explica Huang. El momento magnético es una medida de la fuerza de campo causada por la alineación del eje de giro de un átomo.
Debido a que el cambio se realiza solo cambiando el voltaje, en lugar de la corriente eléctrica aplicada que causaría calentamiento y, por lo tanto, desperdicio de energía a través de la disipación de calor, este proceso es altamente eficiente en energía, dice Beach, quien es codirector de investigación de materiales en el Instituto de Massachusetts. de tecnología. Laboratorio.
El proceso de bombear núcleos de hidrógeno al material ha resultado ser notablemente benigno, dice. Podrías pensar que si tomas algún material y bombeas otros átomos o iones en ese material, se expandirá y se agrietará. Pero resulta que para estas películas, debido al hecho de que el protón es una entidad tan pequeña, puede penetrar la mayor parte de este material sin causar el tipo de fatiga estructural que conduce a la falla «.
Esta estabilidad ha sido probada mediante rigurosas pruebas. Huang dice que el material ha sufrido 10.000 inversiones polares sin signos de deterioro.
Beach dice que el material tiene propiedades adicionales que pueden encontrar aplicaciones útiles. Explica que la alineación magnética entre los átomos individuales en el material actúa un poco como resortes. Si uno de los átomos comienza a desalinearse con los demás, esta fuerza similar a un resorte lo empuja hacia atrás. Y cuando los objetos están conectados por resortes, tienden a generar ondas que pueden viajar a lo largo del material. «Para este material magnético, se denominan ondas de giro. Se obtienen oscilaciones de magnetización en el material y pueden tener frecuencias muy altas».
De hecho, puede oscilar hacia arriba desde el rango de los terahercios, dice, «haciéndolo excepcionalmente capaz de generar o detectar radiación electromagnética de alta frecuencia. No muchos materiales pueden hacer eso».
Beach dice que las aplicaciones relativamente simples de este fenómeno, en forma de sensores, podrían ser posibles en unos pocos años, pero que las aplicaciones más complejas, como los circuitos de datos y lógicos, llevarán más tiempo, en parte porque todo el campo de la tecnología basada en ferroimanes. es relativamente nuevo.
Él dice que la metodología subyacente, además de estos tipos específicos de aplicaciones magnéticas, también podría tener otros usos. «Esta es una forma de controlar las propiedades dentro de una masa de materia utilizando un campo eléctrico», explica. «Eso en sí mismo es muy bueno». Se han realizado otros trabajos para controlar las propiedades de la superficie con voltajes aplicados, pero el hecho de que este método de bombeo de hidrógeno permite un cambio tan profundo, dice.
El equipo incluyó a investigadores de la fuente de luz del sincrotrón ALBA de la Universidad de Minnesota en Barcelona, España. Universidad Tecnológica de Chemnitz; Leibnitz IFW en Alemania; Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea; y la Universidad de Yonsei en Seúl. El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation; Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa. Centro de Materiales Spintronic para Tecnologías de Información Avanzadas; Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea; Fundación Alemana de Ciencias; Ministerio de Economía y Competitividad de España; y el programa de becarios Kavanaugh en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.
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