Modifican las propiedades magnéticas de materiales ferromagnéticos a través de la superconductividad

El magnetismo juega un papel fundamental en la computación moderna, siendo la herramienta con la que los discos duros leen y escriben bits. Ahora, el grupo MAGNETRANS de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha logrado unir un material ferromagnético a un superconductor, demostrando nuevas configuraciones magnéticas que abren la puerta a nuevas aplicaciones en computación y electrónica.

El trabajo, publicado en Scientific Reports, fue llevado a cabo por el profesor Farkhad Aliev y los doctorandos César González-Ruano y Diego Caso de la UAM; con la colaboración del Instituto Jean Lamour en Francia, donde se fabricaron los dispositivos; y del grupo del profesor Jacob Linder en Noruega, quienes propusieron las bases teóricas de los efectos demostrados.

Los resultados presentados suponen un impulso importante en los campos de la espintrónica y la superconductividad para el diseño de los dispositivos que permitirán una computación más rápida y eficiente energéticamente en el futuro próximo.

Espintrónica y superconducción

La espintrónica es la ciencia que investiga los materiales ferromagnéticos y cómo aprovecharlos en nuevos diseños de computación y electrónica que sean más rápidos y requieran menos energía.

Los materiales ferromagnéticos son aquellos que mantienen una imanación preferida sin necesidad de un campo magnético. Esto significa que todos los momentos magnéticos (espines) de sus electrones están “mirando” en el mismo sentido. El efecto que esta orientación produce en la resistencia del material es pequeño (menos de 2%), pero suficiente para múltiples aplicaciones, como sensores de velocidad en bicicletas o coches.

A finales de años 80 se descubrió la llamada magnetorresistencia gigante: al depositar dos películas ferromagnéticas separadas por una fina capa metálica y aplicar corriente, si ambas están imanadas en la misma dirección, la corriente pasará fácilmente y mediremos una resistencia pequeña. Si, por el contrario, tienen imanaciones opuestas, a los electrones les costará pasar de un material al otro ya que tendrán que “voltearse”, produciendo más resistencia.

Desde entonces, los discos duros escriben sus bits mediante estos estados de alta y baja resistencia; descubrimiento que fue galardonado con el premio Nobel en 2007.

Por otra parte, los materiales superconductores son aquellos que, por debajo de cierta temperatura, dejan de tener resistencia eléctrica. Sus electrones se emparejan formando los llamados “pares de Cooper”, que fluyen libremente dentro del material, lo que ofrece la posibilidad de hacer electrónica sin pérdidas energéticas.

Los superconductores también presentan ‘efecto Meissner’: expulsan los campos magnéticos de su interior. Precisamente estos campos se usan para controlar los materiales ferromagnéticos, por lo que ambos materiales son difíciles de combinar.

Combinando la superconductividad y el magnetismo

Los investigadores estudiaron películas delgadas apiladas de distintos materiales con un área transversal de centésimas de milímetro y un grosor de decenas de nanómetros, en las que el material ferromagnético y superconductor se separan mediante una barrera aislante.

Para conseguir los efectos observados hicieron falta algunos requisitos.

Primero, los átomos de los materiales debían estar ordenados en una red cristalina perfecta, similar a las celdas en el panal de una colmena, aunque en este caso con estructura cúbica. “Esto permite tener direcciones preferentes para la imanación siguiendo la red de átomos: existen dos ejes perpendiculares en el plano de la película y otro perpendicular a la misma, más complicado de obtener, pero con especial interés para aplicaciones tecnológicas. Estas direcciones producen distintas resistencias al pasar corriente a través de la estructura, igual que en los bits magnéticos”, explican los autores.

“El otro requisito —agregan— es un mecanismo que permite a los electrones de los dos materiales interaccionar, ya que tienen propiedades muy distintas. Esto se consigue mediante la llamada interacción espín-órbita, que permite a los electrones ‘mezclarse’ y pasar de un material a otro”.

Al introducir estos dispositivos en un criostato, donde se consigue bajar la temperatura hasta entrar en estado superconductor, los investigadores observaron una modificación de las direcciones preferidas en la imanación.

“En concreto —explican—, aparecen dos nuevos ejes perpendiculares a 45 grados de los dos ejes en el plano de la película ferromagnética. Pero además, la imanación perpendicular a la película también se obtuvo con más facilidad, incluso sin aplicar campo magnético en algunos casos”.

Según el modelo teórico propuesto en el trabajo, esto ocurre porque los electrones del superconductor, para minimizar la energía total del sistema, son capaces de cambiar la imanación del ferromagnético para reconfigurarse en pares de Cooper ‘tipo triplete’. “Estos pares son normalmente muy elusivos, pero son cruciales para combinar la superconductividad y el magnetismo, ya que pueden sobrevivir en los materiales ferromagnéticos”, concluyen los autores.

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Referencia bibliográfica:

González-Ruano, C., Caso, D., Johnsen, L.G., Tiusan, C., Hehn, M., Banerjee, N., Linder, J., Aliev, F.G. 2021. Superconductivity assisted change of the perpendicular magnetic anisotropy in V/MgO/Fe junctions. Scientific Reports 11, 19041.

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