Nueva ruta para diseñar nanodispositivos para sensores

Científicos del Instituto de Nanociencia de Aragón (INA) y del Laboratorio de Microscopias Avanzadas (LMA) de la Universidad de Zaragoza han logrado, junto a otros expertos europeos, el control eléctrico de la anisotropía –que hace variar las cualidades según la dirección en que se examinan– de imanes monoatómicos. Hasta ahora esta propiedad sólo podía ajustarse mediante cambios estructurales.

El estudio, que publica la revista Nature Nanotechnology, demuestra que la energía necesaria para cambiar la orientación magnética de un solo átomo –es decir, la que determina su estabilidad y, por tanto, su utilización en múltiples dispositivos en el futuro–, se puede controlar mediante el acoplamiento eléctrico del átomo con un metal.

“Sin duda, abre una nueva ruta en el diseño nanodispositivos para sensores y para procesamiento y almacenamiento de la información”, destaca Cyrus Hirjibehedin, del London Center for Nanotechnology (LCN, Reino Unido), que ha liderado  la investigación.

“En contraste con otros mecanismos convencionales, el nuevo efecto permite ajustar la anisotropía magnética eléctricamente, es decir, utilizando el mismo mecanismo que opera en los transistores de efecto campo –añade–. Este resultado es especialmente relevante en la actualidad, ya que demuestra que es posible maximizar la anisotropía magnética sin el uso de tierras raras, materiales escasos cuya extracción presenta problemas medioambientales y geoestratégicos”.

El resultado demuestra que se puede maximizar la anisotropía magnética sin usar las escasas tierras raras

En general, dos imanes se atraen o se repelen dependiendo de la orientación de sus polos magnéticos. El hecho de que esos polos están orientados en una dirección específica se conoce como anisotropía magnética. La anisotropía magnética juega un papel determinante en un amplio rango de aplicaciones, desde la aguja de una brújula, pasando por los discos duros, hasta la resonancia magnética nuclear.

Ahora, mediante el uso de avanzados microscopios de efecto túnel, los investigadores han descubierto un nuevo mecanismo que controla la anisotropía magnética en la escala atómica.

Uno de los miembros del equipo, Joaquín Fernández-Rossier, del Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) de Portugal, asegura que en el caso de ‘trozos’ grandes de material magnético, la anisotropía magnética viene fundamentalmente impuesta por la forma. Los átomos que forman ese imán poseen asimismo un magnetismo intrínseco, y por tanto una anisotropía magnética asociada.

Sin embargo, los átomos son tan pequeños (en un imán con forma de dado de 1 mm de lado caben aproximadamente cien millones de billones de átomos, 1020) que no se les puede asociar una forma definida, y esto hace que su anisotropía esté controlada típicamente por la posición y la carga eléctrica de los átomos vecinos.

Variaciones en átomos de cobalto

En este experimento, el equipo observó fuertes variaciones de la anisotropía magnética de átomos individuales de cobalto (Co) en función de su posición sobre una mono-capa aislante de nitruro de cobre, crecida a su vez sobre una superficie metálica.

En los laboratorios del LMA, los investigadores pudieron analizar estadísticamente la correlación de estos cambios con el acoplamiento eléctrico al metal. Con la ayuda de teórica y de modelado computacional realizada por los equipos en Portugal y del Max Planck Institute of Microstructure Physics (Alemania), se pudo identificar las interacciones electrónicas con el metal como factor determinante de la anisotropía magnética.

David Serrate, investigador Ramón y Cajal en el INA, destaca que las infraestructuras del INA-LMA “están jugando un papel fundamental en el avance de la nanociencia, y un buen ejemplo son colaboraciones científicas como ésta”. La investigadora María Moro, del INA y del LMA de la Universidad de Zaragoza, también ha participado en este estudio.

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