Un nuevo imán cuántico libera el potencial de la electrónica

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Algunos de nuestros artículos cotidianos más importantes, como computadoras, equipos médicos, estéreos, generadores y más, funcionan gracias a imanes. Sabemos lo que sucede cuando las computadoras se vuelven más poderosas, pero ¿qué sería posible si los imanes se volvieran más versátiles? ¿Qué pasaría si uno pudiera cambiar una propiedad física que definiera su usabilidad? ¿Qué innovación podría catalizar eso?

Es una pregunta que los investigadores del MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) Hang Chi, Yunbo Ou, Jagadeesh Moodera y sus coautores exploran en un nuevo artículo de acceso abierto de Nature Communications, “Strain-tunable Berry curvature in quasi-two Telururo de cromo -dimensional”.

Comprender la magnitud del descubrimiento de los autores requiere un breve viaje al pasado: en 1879, un estudiante graduado de 23 años llamado Edwin Hall descubrió que cuando colocaba un imán en ángulo recto con una tira de metal por la que circulaba una corriente a través de él, un lado de la tira tendría una carga mayor que el otro. El campo magnético desviaba los electrones de la corriente hacia el borde del metal, fenómeno que en su honor recibiría el nombre de efecto Hall.

En la época de Hall, el sistema clásico de física era el único, y fuerzas como la gravedad y el magnetismo actuaban sobre la materia de maneras predecibles e inmutables: al igual que dejar caer una manzana provocaría su caída, formando una “T” con una tira de materia electrificada. El metal y el imán dieron como resultado el efecto Hall, punto. Excepto que no lo fue, en realidad; ahora sabemos que la mecánica cuántica también desempeña un papel.

Piense en la física clásica como un mapa de Arizona y en la mecánica cuántica como un viaje en automóvil por el desierto. El mapa proporciona una vista macro e información generalizada sobre el área, pero no puede preparar al conductor para todos los eventos aleatorios que pueda encontrar, como un armadillo cruzando la carretera. Los espacios cuánticos, como el viaje que realiza el conductor, se rigen por un conjunto diferente de normas de tráfico locales. Entonces, mientras que el efecto Hall es inducido por un campo magnético aplicado en un sistema clásico, en un caso cuántico el efecto Hall puede ocurrir incluso sin el campo externo, momento en el cual se convierte en el efecto Hall anómalo.

Al navegar en el reino cuántico, uno está equipado con el conocimiento de la llamada “fase Berry”, que lleva el nombre del físico británico Michael Berry. Sirve como un registrador GPS para el automóvil: es como si el conductor hubiera registrado todo su viaje de principio a fin y, al analizar el historial del GPS, se pueden trazar mejor los altibajos o “curvatura” del espacio. Esta “curvatura Berry” del paisaje cuántico puede desplazar naturalmente los electrones hacia un lado, induciendo el efecto Hall sin un campo magnético, tal como las colinas y los valles dictan la trayectoria del automóvil.

Si bien muchos han observado el efecto Hall anómalo en materiales magnéticos, ninguno había podido manipularlo apretándolo y/o estirándolo, hasta que los autores del artículo desarrollaron un método para demostrar el cambio en el efecto Hall anómalo y la curvatura de Berry en un imán inusual.

Primero, tomaron bases de medio milímetro de espesor hechas de óxido de aluminio o titanato de estroncio, los cuales son cristales, y cultivaron una capa increíblemente delgada de telururo de cromo, un compuesto magnético, encima de las bases. Por sí solos, estos materiales no servirían de mucho; sin embargo, cuando se combinaban, el magnetismo de la película y la interfaz que creaba con las bases sobre las que crecía hacían que las capas se estiraran o se apretaran.

Para profundizar su comprensión de cómo estos materiales trabajaban juntos, los investigadores se asociaron con la Fuente de Neutrones de Espalación del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) para realizar experimentos de dispersión de neutrones, esencialmente bombardeando el material con disparos de partículas y estudiando lo que rebotó, para aprender más sobre las propiedades químicas y magnéticas de la película. Los neutrones fueron una herramienta ideal para el estudio porque son magnéticos pero no tienen carga eléctrica. Los experimentos de neutrones permitieron a los investigadores construir un perfil que reveló cómo los elementos químicos y los comportamientos magnéticos cambiaban en diferentes niveles a medida que profundizaban en el material.

Los investigadores presenciaron el efecto Hall anómalo y la curvatura de Berry respondiendo al grado de compresión o estiramiento que se producía en la base después de aplicar la película, una observación verificada posteriormente mediante modelado y simulaciones de datos.

Aunque este avance se produjo al nivel molecular más pequeño, el descubrimiento de los científicos tiene importantes ramificaciones en el mundo real. Por ejemplo, los discos duros almacenan datos en pequeñas regiones magnéticas, y si se construyeran utilizando materiales "ajustables por tensión" como la película, podrían almacenar datos adicionales en regiones que se han estirado de diferentes maneras. En robótica, los materiales de tensión ajustable podrían usarse como sensores capaces de proporcionar información precisa sobre los movimientos y el posicionamiento de los robots. Estos materiales serían especialmente útiles para los “robots blandos”, que utilizan componentes blandos y flexibles que imitan mejor a los organismos biológicos. O bien, un dispositivo magnético que cambiara su comportamiento cuando se flexionara o doblara podría usarse para detectar cambios mínimos en el medio ambiente o para fabricar equipos de monitoreo de la salud increíblemente sensibles.

Además de Chi, Ou y Moodera, que también está afiliado al Departamento de Física del MIT, los contribuyentes del MIT al trabajo incluyen al postdoctorado Alexandre C. Foucher y la profesora Frances Ross del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

Otros coautores incluyen a Tim B. Eldred y Wenpei Gao de la Universidad Estatal de Carolina del Norte; Sohee Kwon, Yuhang Liu y Roger K. Lake de la Universidad de California en Riverside; Joseph Murray, Michael Dreyer y Robert E. Butera del Laboratorio de Ciencias Físicas; Haile A. Ambaye, Valerie Lauter y Jong K. Keum de ORNL; Alice T. Greenberg, Yuhang Liu, Mahesh R. Neupane, George J. de Coster, Owen A. Vail, Patrick J. Taylor, Patrick A. Folkes y Charles Rong del Laboratorio de Investigación del Ejército; Gen Yin de la Universidad de Georgetown; y Don Heiman de la Universidad Northeastern.

Este estudio fue apoyado, en parte, por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. y el Laboratorio de Investigación de IA Watson del MIT-IBM. El acceso a las instalaciones fue proporcionado por el Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT, MRSEC, MIT.nano, SNS y el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, la Oficina de Instalaciones Científicas para Usuarios del Departamento de Energía operadas por ORNL y el Ecosistema de Coordinación de Infraestructura Cibernética Avanzada: Servicios y Soporte respaldados por NSF.

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