Así surfea el magnetismo

Controlar las propiedades magnéticas de los materiales es fundamental para desarrollar nuevas memorias, equipos de computación y otros dispositivos de comunicación a nivel nanométrico. El almacenamiento y procesamiento de datos progresa de manera tan veloz que es necesario probar diferentes métodos para modificar las propiedades magnéticas de los materiales. Una manera se basa en la deformación elástica del material magnético para modificar sus propiedades magnéticas. Permite escribir pequeños elementos magnéticos con un voltaje eléctrico en lugar de corriente y, por lo tanto, evitar las pérdidas de energía. Sin embargo, los estudios realizados hasta la fecha se han hecho a escalas de tiempo muy lentas (de segundos a milisegundos).

Otra forma de producir cambios rápidos de deformación (a nivel de subnanosegundos) y, por lo tanto, inducir cambios de magnetización es utilizando ondas acústicas superficiales (SAW, por sus siglas en ingés), que son ondas de deformación. Imagina una barra de hierro que es golpeada con un martillo en uno de sus extremos. Al hacerlo, una onda propaga la deformación a lo largo de la barra. Del mismo modo, una onda acústica superficial propaga una deformación pero solo en la capa superficial, de manera similar a lo que hacen las olas en el océano. En ciertos materiales (piezoeléctricos), que se expanden o contraen al aplicar un voltaje, pueden generarse estas ondas mediante campos eléctricos oscilantes.

Ahora un grupo de investigadores del Sincrotrón ALBA, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) y de la Universidad de Barcelona, en colaboración con el Instituto Paul Scherrer (Suiza), la Universidad Johannes Gutenberg Mainz y el Instituto Paul Drude (ambos en Alemania), han desarrollado una nueva técnica experimental para visualizar cuantitativamente estas ondas acústicas superficiales y utilizarlas para modificar la magnetización de nanoelementos magnéticos (los 'surferos') sobre la capa superficial del cristal.

El estudio, publicado en la revista Nature Communications, utiliza la estructura temporal del acelerador de electrones para registrar imágenes con una resolución temporal de 80 picosegundos. Esta metodología ofrece un nuevo enfoque para investigar deformaciones dinámicas en diversos campos: estudios de partículas, reacciones químicas, cristalografía, etc.

Propiedades magnéticas, fotograma a fotograma

El experimento se realizó en la línea de luz CIRCE del Sincrotrón ALBA, utilizando el microscopio de fotoemisión (PEEM), una herramienta de vanguardia para el análisis de capas finas, superficies e intercaras, así como propiedades magnéticas de nanomateriales.

Los investigadores prepararon cuadrados magnéticos depositados encima de un cristal piezoeléctrico. Usando como referencia la señal de tiempo de los aceleradores de ALBA, pudieron sincronizar la señal de la onda y los pulsos de luz de sincrotrón. Este sistema permitió a los investigadores tomar imágenes (fotogramas) de la muestra cuando la onda pasaba a través de ella, dando la posibilidad de estudiar con detalle los procesos rápidos que ocurren a 500 MHz (500 millones de veces por segundo).

Los resultados mostraron que los cuadrados magnéticos cambiaban sus propiedades bajo el efecto de las ondas, ensanchando o encogiendo los dominios magnéticos dependiendo de la fase de la onda. Curiosamente, la deformación no ocurría instantáneamente sino que había un retraso entre la onda y los cambios magnéticos. Comprender cómo pueden modificarse las propiedades magnéticas en una escala de tiempo rápida es clave para diseñar dispositivos eficaces en el futuro.