a) Representación esquemática del set experimental para hacer dicroísmo circular magnético de rayos X y microscopía electrónica de fotoemisión (XMCD-PEEM). Las áreas negras y blancas corresponden a los dominios con magnetización neta a lo largo y opuesto a la dirección de la luz incidente, respectivamente. Las regiones grises corresponden a dominios sin magnetización neta (en nuestro caso dominios antiferromagnéticos), o dominios con magnetización neta perpendicular a la luz incidente. CCW y CW corresponden a la luz de rayos X en sentido antihorario y horario, respectivamente. (b)-(d) Imágenes de dominio magnético de XMCD-PEEM de la región de la película de FeRh con una marca de 300 mN medida a 75°C, 95°C y 115°C, respectivamente. Los recuadros muestran representaciones esquemáticas de la simetría de la imagen. (e) y (f) Croquis de las regiones antiferromagnéticas después de la marca en el sistema FeRh / MgO, como se deduce de la caracterización XMCD-PEEM, a las temperaturas indicadas. (g) Contraste magnético de las imágenes XMCD (SDXMCD) de las regiones encerradas en rojo (cerca de la marca de presión) y negro (lejos de la marca) en (b) - (d).
Cerdanyola del Vallès, 26 mayo 2020 Algunos dispositivos de memoria donde se almacena la información de los teléfonos y ordenadores están basados en un control muy preciso de las propiedades magnéticas, a escala nanoscópica. Cuanto más preciso es este control, más capacidad de almacenamiento y velocidad pueden tener. En casos determinados se utiliza la combinación del ferromagnetismo (donde el magnetismo de todos los átomos del material apunta en la misma dirección) y el antiferromagnetismo (donde el magnetismo de los átomos del material apunta alternadamente en direcciones contrarias) para almacenar la información. Uno de los materiales que puede mostrar estos dos ordenamientos es la aleación de hierro y rodio (FeRh), gracias a que muestra una transición metamagnètica entre estas dos fases a una temperatura muy cercana a la del ambiente. En concreto, puede cambiar de estado pasando de ser antiferromagnético a ferromagnético cuando se calienta. El estado antiferromagnético es más robusto y seguro que el ferromagnético, ya que no se ve alterado fácilmente por la presencia de imanes en su proximidad, es decir, un campo magnético externo no puede borrar fácilmente la información.
Un equipo de investigación de la UAB, el ICMAB y el Sincrotrón ALBA, junto con científicos de la Universidad de Barcelona y el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología, ha utilizado la presión mecánica para modificar esta transición y estabilizar el estado antiferromagnético. Los investigadores han observado que presionar la superficie de la aleación de hierro y rodio con una aguja de tamaño nanométrico provoca el cambio de estado magnético de manera sencilla y localizada. Presionando sobre diferentes zonas del material, han conseguido generar nanoislas antiferromagnètiques rodeadas de una matriz ferromagnética, un hito muy difícil con las técnicas actuales. Si el proceso se repite por toda la superficie de la aleación, la nueva técnica permite inducir este cambio en áreas grandes del material y dibujar patrones con resolución nanoscópica con zonas con propiedades magnéticas diferentes, generando estructuras tan pequeñas como las que se pueden conseguir actualmente mediante métodos más complejos.
Mejora para miniaturizar los dispositivos magnéticos
Se trata de una mejora importante en la capacidad de miniaturizar los patrones que se pueden construir con materiales magnéticos, una mejora en la resolución de las herramientas que los ingenieros utilizan para diseñar los dispositivos magnéticos de la tecnología que utilizamos diariamente. "La idea es muy simple", explica Ignasi Fina, investigador del ICMAB-CSIC, "en las transiciones de fase, todo lo que le hagas al material tiene un gran impacto en las otras propiedades. Nuestro aleación tiene una transición de fase magnética. Con una aguja de tamaño nanométrico cambiamos el ordenamiento magnético sólo pulsando el material. En concreto, cambia de ferromagnético a antiferromagnético. Y como la aguja es nanométrica, el cambio está en la nanoescala."
"La nueva técnica basada en la aplicación de presión mediante nanoagujas puede permitir construir dispositivos nanométricos magnéticos con estructuras mucho más pequeñas y mucho más robustas y seguras que las actuales, facilitando la fabricación de memorias magnéticas con diferentes arquitecturas que mejoren sus capacidades", destaca el investigador ICREA del Departamento de Física de la UAB, Jordi Sort.
Existen otras técnicas basadas en la aplicación de voltajes o de campos magnéticos intensos para incrementar la estabilidad de la fase antiferromagnética de la aleación, pero provocan cambios a gran escala en todo el material, que limitan su capacidad de control y de miniaturización. El hecho de aplicar presión de manera muy localizada ofrece una precisión sin precedentes, afectando sólo pequeñas áreas locales a escala nanométrica. Al presionar, se incrementa la temperatura de transición de la aleación, la temperatura a la que se produce su cambio de estado, y su magnetización cambia.
Para obtener esta información sobre los cambios producidos en las propiedades magnéticas del material a escala nanométrica, en este estudio se ha utilizado la técnica llamada dicroísmo circular magnético de rayos X en combinación con la microscopía electrónica de fotoemisión, en la línea de luz CIRCE-PEEM del Sincrotrón ALBA. "Estas técnicas con luz de sincrotrón permiten ver los cambios en una escala realmente muy pequeña", comenta Michael Foerster, científico de ALBA
Aplicaciones en otros campos
Las posibles aplicaciones van más allá de los materiales magnéticos. El hecho de modificar las propiedades de un material aplicando presión, es decir, modificando el volumen de las celdas de su estructura cristalina, puede ser extrapolado a otros tipos de materiales. Los investigadores consideran que se trata de una técnica que abre las puertas a una nueva vía para nanoestructurar las propiedades físicas y funcionales de los materiales, y en implementar nuevas arquitecturas en otros tipos de nanodispositivos y microdispositivos no magnéticos.
Izquierda: muestras del material metamagnético FeRh, preparadas para ser analizadas en el Sincrotrón ALBA. Derecha: parte del equipo de investigación. La investigación ha sido destacada en portada en la última edición de la revista Materials Horizons. Liderada por los investigadores Ignasi Fina, ICMAB-CSIC, Jordi Sort, ICREA en el Departamento de Física de la UAB, y Michael Foerster, científico de la línea de luz CIRCE del ALBA, la investigación ha contado también con la participación de Enrique Menéndez, Alberto Quintana y Daniel Esqué de los Ojos (Departamento de Física de la UAB); Carlos Gómez-Olivella (Departamento de Física Aplicada y Óptica de la UB); Oriol Vallcorba y Lucia Aballe (también del ALBA); Carlos Frontera (ICMAB-CSIC); Josep Nogués (ICREA en el ICN2); y Emerson Coy (NanoBioMedical Centro, Adam Mickiewicz University).
Referencia: Michael Foerster, Enric Menéndez, Emerson Coy, Alberto Quintana, Carles Gómez-Olivella, Daniel Esqué de los Ojos, Oriol Vallcorba, Carlos Frontera, Lucia Aballe, Josep Nogués, Jordi Sort and Ignasi Fina. Local manipulation of metamagnetism by strain nanopatterning, Materials Horizons (2020) https://doi.org/10.1039/D0MH00601G
