Inspirándose en Einstein y De Haas: los científicos descubren un movimiento ultrarrápido inusual en materiales magnéticos en capas

Jun 14, 2023

Por Laboratorio Nacional Argonne7 de agosto de 2023

Alfombra atómica movida por espines revueltos. El corte de capas atómicas en trisulfuro de hierro y fósforo en capas se produce por la alteración del espín de los electrones al exponerse a un pulso de luz. Giros ordenados a la izquierda; giros revueltos a la derecha. Crédito: Imagen del Laboratorio Nacional Argonne

Las técnicas de imágenes ultrarrápidas de vanguardia han revelado un movimiento mecánico ultrarrápido vinculado a un cambio en el estado magnético en un material en capas. Este intrigante efecto magnético podría tener aplicaciones en nanodispositivos que requieren un control de movimiento rápido y ultrapreciso.

Un clip de metal común se adherirá a un imán. Los científicos clasifican estos materiales que contienen hierro como ferromagnetos. Hace poco más de un siglo, los físicos Albert Einstein y Wander de Haas informaron de un efecto sorprendente con un ferroimán. Descubrieron que cuando se suspende un cilindro de hierro de un cable y se lo expone a un campo magnético, comienza a girar si se invierte la dirección del campo magnético.

"El experimento de Einstein y de Haas es casi como un espectáculo de magia", dijo Haidan Wen, físico de las divisiones de Ciencia de Materiales y Ciencia de Rayos X del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). "Puedes hacer que un cilindro gire sin siquiera tocarlo".

"En este experimento, se aprovecha una propiedad microscópica, el espín del electrón, para provocar una respuesta mecánica en un cilindro, un objeto macroscópico".

— Alfred Zong, Miller Research Fellow at the University of California, BerkeleyLocated in Berkeley, California and founded in 1868, University of California, Berkeley is a public research university that also goes by UC Berkeley, Berkeley, California, or Cal. It maintains close relationships with three DOE National Laboratories: Lawrence Berkeley National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, and Lawrence Livermore National Laboratory." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Universidad de California, Berkeley

En la revista científica Nature, 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. Esto podría tener aplicaciones importantes en dispositivos que requieren un control de movimiento ultrapreciso y ultrarrápido. Un ejemplo son los nanomotores de alta velocidad para aplicaciones biomédicas, como su uso en nanorobots para diagnóstico y cirugía mínimamente invasivos.

La diferencia entre un ferromagneto y un antiferromagnet tiene que ver con una propiedad llamada espín del electrón. Este giro tiene una dirección. Los científicos representan la dirección con una flecha, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo o cualquier dirección intermedia. En el ferroimán magnetizado mencionado anteriormente, las flechas asociadas con todos los electrones en los átomos de hierro pueden apuntar en la misma dirección, digamos, hacia arriba. Al invertir el campo magnético se invierte la dirección de los espines de los electrones. Entonces, todas las flechas apuntan hacia abajo. Esta inversión conduce a la rotación del cilindro.

"En este experimento, se aprovecha una propiedad microscópica, el espín del electrón, para provocar una respuesta mecánica en un cilindro, un objeto macroscópico", dijo Alfred Zong, investigador Miller de la Universidad de California, Berkeley.

En los antiferromagnetos, en lugar de que los espines de los electrones apunten hacia arriba, por ejemplo, se alternan de arriba a abajo entre electrones adyacentes. Estos espines opuestos se anulan entre sí y, por lo tanto, los antiferromagnetos no responden a los cambios en un campo magnético como lo hacen los ferromagnetos.

"La pregunta que nos hicimos es: ¿puede el espín del electrón provocar una respuesta en un antiferroimán que sea diferente pero similar en espíritu a la de la rotación del cilindro en el experimento de Einstein-de Hass?" dijo Wen.

Para responder a esa pregunta, el equipo preparó una muestra de trisulfuro de hierro y fósforo (FePS3), un antiferromagnético. La muestra constaba de múltiples capas de FePS3, cada una de las cuales tenía solo unos pocos átomos de espesor.

“Unlike a traditional magnet, FePS3 is special because it is formed in a layered structure, in which the interaction between the layers is extremely weak,” said Xiaodong Xu, professor of physics and materials science at the University of WashingtonFounded in 1861, the University of Washington (UW, simply Washington, or informally U-Dub) is a public research university in Seattle, Washington, with additional campuses in Tacoma and Bothell. Classified as an R1 Doctoral Research University classification under the Carnegie Classification of Institutions of Higher Education, UW is a member of the Association of American Universities." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Universidad de Washington.

"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", añadió Wen.

El equipo descubrió que los pulsos cambian la propiedad magnética del material al alterar la orientación ordenada de los espines de los electrones. Las flechas del espín de los electrones ya no alternan entre arriba y abajo de forma ordenada, sino que están desordenadas.

“This scrambling in electron spin leads to a mechanical response across the entire sample. Because the interaction between layers is weak, one layer of the sample is able to slide back and forth with respect to an adjacent layer,” explained Nuh Gedik, professor of physics at the Massachusetts Institute of Technology (MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">CON).

Este movimiento es ultrarrápido, con una increíble velocidad de 10 a 100 picosegundos por oscilación. Un picosegundo equivale apenas a una billonésima de segundo. Esto es tan rápido que en un picosegundo la luz viaja apenas un tercio de milímetro.

Las mediciones de muestras con resolución espacial a escala atómica y resolución temporal medida en picosegundos requieren instalaciones científicas de primer nivel. Para ello, el equipo se basó en sondas ultrarrápidas de última generación que utilizan haces de electrones y rayos X para analizar estructuras atómicas.

Motivados por mediciones ópticas en la Universidad de Washington, los estudios iniciales emplearon la instalación de difracción de electrones ultrarrápida de megaelectronvoltios en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC. Se realizaron más estudios en una instalación de difracción de electrones ultrarrápida en el MIT. Estos resultados se complementaron con el trabajo en las instalaciones de microscopio electrónico ultrarrápido del Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) y las líneas de luz 11-BM y 7-ID en la Fuente Avanzada de Fotones (APS). Tanto CNM como APS son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Argonne.

El espín del electrón en un antiferroimán en capas también tiene un efecto en tiempos más largos que los picosegundos. En un estudio anterior utilizando instalaciones APS y CNM, los miembros del equipo observaron que los movimientos fluctuantes de las capas se ralentizaban drásticamente cerca de la transición del comportamiento desordenado al ordenado de los espines de los electrones.

“The pivotal discovery in our current research was finding a link between electron spin and atomic motion that is special to the layered structure of this antiferromagnet,” Zong said. ​“And because this link manifests at such short time and tiny length scales, we envision that the ability to control this motion by changing the magnetic field or, alternatively, by applying a tiny strain will have important implications for nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">dispositivos a nanoescala”.

Referencia: “Osciladores de corte mediados por giro en un antiferroimán de van der Waals” por Alfred Zong, Qi Zhang, Faran Zhou, Yifan Su, Kyle Hwangbo, Xiaozhe Shen, Qianni Jiang, Haihua Liu, Thomas E. Gage, Donald A. Walko, Michael E. Kozina, Duan Luo, Alexander H. Reid, Jie Yang, Suji Park, Saul H. Lapidus, Jiun-Haw Chu, Ilke Arslan, Xijie Wang, Di Xiao, Xiaodong Xu, Nuh Gedik y Haidan Wen, 2 de agosto de 2023 , Naturaleza.DOI: 10.1038/s41586-023-06279-y

Además de Wen, Zong, Xu y Gedik, otros autores incluyen a Qi Zhang, Faran Zhou, Yifan Su, Kyle Hwangbo, Xiaozhe Shen, Qianni Jiang, Haihua Liu, Thomas Gage, Donald Walko, Michael E. Kozina, Duan Luo, Alexander Reid. , Jie Yang, Suji Park, Saul Lapidus, Jiun-Haw Chu, Ilke Arslan, Xijie Wang y Di Xiao.

Este trabajo fue apoyado principalmente por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE.