Cerdanyola del Vallès, 7 febrero 2024 Un ASI (del inglés artificial spin ice o hielo de espín) es una serie de pequeños imanes (nanoimanes) que interactúan entre sí y con campos magnéticos externos. Los ASI son una clase de metamateriales (los llamados materiales del futuro, como el grafeno), diseñados para tener propiedades electromagnéticas únicas a través de disposiciones estructuradas, que difieren significativamente del comportamiento natural de los materiales que los componen. Recientemente, los ASI se han posicionado como materiales prometedores para aplicaciones en dispositivos, como sustratos para computación, por ejemplo.
Estos sistemas magnéticos reciben su nombre de "spin ice" del hielo, ya que los momentos magnéticos, o espines, se alinean de manera similar a los enlaces de hidrógeno de las moléculas de agua en forma de hielo. Los nanoimanes de los ASI normalmente se bloquean (congelan) a temperatura ambiente, al no ser suficiente la energía térmica para cambiar su estado magnético. Debido a que hay muchos imanes en ellos, el sistema general puede tener muchos estados diferentes que pueden prepararse utilizando campos magnéticos externos.
Sin embargo, hasta ahora los métodos para hacerlo han sido bastante toscos. Es decir, cambiaban muchos imanes a la vez, de manera incontrolada. O si no, los imanes se deben modificar individualmente, de forma nada práctica, usando una punta de sonda de escaneo.
Ahora, el equipo científico de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología ha ideado un nuevo método llamado "astroid clocking" que utiliza una secuencia de campo externo especial que es capaz de cambiar exactamente sólo aquellos elementos que están en el límite de dos regiones dentro del ASI con diferentes estados. Por tanto, hace posible controlar con precisión el estado de la matriz del ASI.
El método toma su nombre del astroide de Stoner-Wohlfarth, un tipo de curva que marca el campo de conmutación crítico de un nanoimán en función del ángulo del campo magnético aplicado. Utilizando esta información, el método introducido por el equipo de investigación aprovecha las propiedades magnéticas de los imanes individuales (el astroide de Stoner-Wohlfarth) y la interacción entre ellos (interacción dipolar). Este enfoque permite apuntar con precisión solo a los imanes del borde en un ciclo de reloj determinado. A medida que el borde frontera avanza en cada ciclo, se puede abordar todo el conjunto de imanes.
Para realizar el estudio, el equipo noruego prepararó primero las muestras que serián analizadas en ALBA. Sus ASI en concreto son una aleación de hierro y níquel (NiFe) sobre sustrato de silicio. Una vez en ALBA, se llevaron a cabo análisis de contraste XMCD (dicroísmo circular magnético de rayos X) en la rama PEEM de la línea de luz CIRCE. Su microscopio resuelve el estado magnético de cada nanoimán individual. Además, los científicos utilizaron un portamuestras personalizado con un electroimán cuadrupolo, una característica especial disponible en este microscopio, que permite un control total (ángulo y fuerza) del campo magnético aplicado en el plano. Esto fue clave para realizar la secuencia de campo del método "astroid clocking". Los usuarios del sincrotrón también desarrollaron su propio código computacional, flatspin, para realizar simulaciones que guiaron los experimentos y ayudaron a comprender los resultados.
Este trabajo demuestra que aplicando el "astroid clocking", los complejos comportamientos espacio-temporales de los metamateriales magnéticos se vuelven fácilmente controlables con una alta fidelidad. Los numerosos estados del sistema ASI pueden considerarse unidades de información para nuevas formas de realizar cálculos, de una manera diferente a la actual, denominada computación de reservorio. El ASI también proporciona un interesante sistema modelo para estudiar procesos fundamentales que de otro modo serían difíciles de alcanzar, como los monopolos magnéticos. Con la nueva forma de controlar estos sistemas, tanto los dispositivos de computación no convencionales como la investigación fundamental se benefician.
Imágenes XMCD-PEEM de todos los pasos de la serie de protocolos de reloj unipolar relevantes. El tiempo comienza en t = 0 y se incrementa en 1 por cada paso del reloj (pulsos del reloj indicados por las etiquetas). Los dominios negros (hacia la derecha) crecen con la aplicación del reloj AB y se invierten rápidamente con el reloj ab. Los círculos rojos destacan la pared de dominio vertical corta que termina el dominio negro en la región central de la instantánea t = 20, que ejemplifica tanto el crecimiento del dominio en avalancha como una pared de dominio atascada. En la instantánea t = 21, la parte superior de la pared del dominio ha progresado en una avalancha para formar una extensión de dedo del dominio, mientras que la parte inferior de la pared del dominio permanece como antes.
Referencia: Johannes H. Jensen, Anders Strømberg, Ida Breivik, Arthur Penty, Miguel Angel Niño, Muhammad Waqas Khaliq, Michael Foerster, Gunnar Tufte, Erik Folven. Clocked dynamics in artificial spin ice. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-024-45319-7
