Movimiento ultrarrápido inusual descubierto en materiales magnéticos en capas

El descubrimiento se inspiró en los experimentos de Einstein y de Haas.

Los materiales magnéticos han sido durante mucho tiempo objeto de investigación sobre cómo la configuración de espín microscópico da como resultado propiedades inusuales en la escala de longitud macroscópica. Un ejemplo de ello es el efecto Einstein-de Haas en los ferromagnetos, que permite que el momento angular de los espines se transfiera a la rotación mecánica de un elemento completo. Sin embargo, todavía no está claro cómo el orden de espín se acopla con el movimiento macroscópico en antiferromagnetos sin un momento magnético neto.

En un nuevo estudio, un equipo de investigadores de Argonne y otros laboratorios y universidades nacionales de EE. UU. informan ahora de un efecto análogo pero diferente en un "anti"-ferroimán. En este experimento, los investigadores explotaron el espín del electrón para provocar una respuesta mecánica en un cilindro, un objeto macroscópico.

En los antiferromagnetos, por ejemplo, los espines de los electrones se alternan de arriba a abajo entre electrones adyacentes en lugar de apuntar siempre hacia arriba. Los antiferromagnetos no reaccionan a los cambios en un campo magnético como los ferromagnetos porque sus espines opuestos se cancelan entre sí.

Haidan Wen, físico de las divisiones de Ciencia de Materiales y Ciencia de Rayos X del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), dijo: "La pregunta que nos hicimos es: ¿puede el espín de un electrón provocar una respuesta en un antiferroimán que sea diferente?" ¿Pero similar en espíritu al de la rotación del cilindro en el experimento de Einstein-de Hass?

Los investigadores crearon una muestra del trisulfuro de hierro y fósforo antiferromagnético (FePS3) para dar respuesta a esa pregunta. Cada capa de la muestra, que estaba formada por varias capas de FePS3, tenía sólo unos pocos átomos de espesor. FePS3 es exclusivo de un imán convencional, ya que se crea en una estructura en capas con una interacción muy débil entre las capas.

Wen dijo: "Diseñamos una serie de experimentos corroborativos en los que disparamos pulsos láser ultrarrápidos a este material en capas y medimos los cambios resultantes en las propiedades del material con pulsos ópticos, de rayos X y de electrones".

Los investigadores descubrieron que los pulsos alteran las propiedades magnéticas del material al alterar la orientación ordenada de los espines de los electrones. En lugar de alternar entre arriba y abajo de forma sistemática, las flechas para el espín de los electrones ahora están desorganizadas.

Nuh Gedik, profesor de física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), dijo: “Esta confusión en el espín de los electrones conduce a una respuesta mecánica en toda la muestra. Debido a que la interacción entre capas es débil, una capa de la muestra puede deslizarse hacia adelante y hacia atrás con respecto a una capa adyacente”.

El tiempo de oscilación de este movimiento es extremadamente corto: de 10 a 100 picosegundos. La definición de picosegundo es una billonésima de segundo. La luz sólo se mueve un tercio de milímetro en un picosegundo debido a la rapidez con la que sucede.

Se necesitan instalaciones científicas de clase mundial para medir muestras con resolución espacial a escala atómica y resolución temporal a escala de picosegundos. Para lograrlo, los científicos utilizaron sondas ultrarrápidas de última generación que analizan estructuras atómicas mediante haces de electrones y rayos X.

Los primeros experimentos utilizaron el equipo de difracción de electrones ultrarrápido de megaelectronvoltios en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC y se inspiraron en mediciones ópticas en la Universidad de Washington. En la instalación de difracción de electrones ultrarrápida del MIT, se realizaron investigaciones adicionales. El trabajo en las líneas de luz 11-BM y 7-ID en la Fuente Avanzada de Fotones (APS) y la instalación de microscopía electrónica ultrarrápida en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) añadió estos hallazgos. En Argonne, CNM y APS son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Un antiferroimán multicapa también experimenta efectos del espín del electrón en duraciones superiores a los picosegundos. Los miembros del equipo descubrieron que los movimientos fluctuantes de las capas se ralentizaban significativamente alrededor del punto en el que los espines de los electrones cambiaban de un comportamiento desordenado a uno ordenado en un trabajo anterior que empleaba equipos APS y CNM.

Zong dijo: “El descubrimiento fundamental en nuestra investigación actual fue encontrar un vínculo entre el espín del electrón y el movimiento atómico que es especial para la estructura en capas de este antiferroimán. Y debido a que este vínculo se manifiesta en un tiempo tan corto y en escalas de longitud tan pequeñas, imaginamos que la capacidad de controlar este movimiento cambiando el campo magnético o aplicando una pequeña tensión tendrá implicaciones importantes para los dispositivos a nanoescala”.

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