Un nuevo cristal transforma el magnetismo de formas sorprendentes

Científicos de la Universidad Estatal de Florida desarrollaron un nuevo tipo de material cristalino que exhibe un comportamiento magnético raro e intrincado. Este descubrimiento podría abrir nuevos caminos hacia tecnologías avanzadas de almacenamiento de datos y dispositivos cuánticos del futuro.

Los hallazgos, publicados en el Journal of the American Chemical Society, demostraron que la mezcla de dos materiales con una composición química casi idéntica pero estructuras cristalinas muy diferentes puede producir una estructura completamente nueva. Este inesperado cristal híbrido exhibe propiedades magnéticas que no aparecen en ninguno de los materiales originales.

Cómo los giros atómicos crean magnetismo

El magnetismo comienza a nivel atómico. En los materiales magnéticos, cada átomo se comporta como un pequeño imán debido a una propiedad llamada giro atómico. El giro puede imaginarse como una pequeña flecha que indica la dirección del campo magnético de un átomo.

Cuando muchos giros atómicos se alinean, ya sea apuntando en la misma dirección o en direcciones opuestas, generan las fuerzas magnéticas familiares utilizadas en tecnologías cotidianas como computadoras y teléfonos inteligentes. Este tipo de alineación ordenada es típico de los imanes convencionales.

El equipo de FSU demostró que su nuevo material se comporta de manera muy diferente. En lugar de alinearse ordenadamente, los giros atómicos se organizan en patrones de remolino complejos y repetitivos. Estos arreglos, conocidos como texturas de giro, influyen fuertemente en cómo un material responde a los campos magnéticos.

Creando remolinos magnéticos a través de la frustración estructural

Para producir estos efectos inusuales, los investigadores combinaron intencionalmente dos compuestos que son químicamente similares pero estructuralmente desajustados. Cada compuesto tiene una simetría cristalina diferente, lo que significa que los átomos están dispuestos de maneras incompatibles.

Cuando estas estructuras se encuentran, ninguna de las disposiciones puede dominar completamente. Esta inestabilidad en la frontera crea lo que los científicos llaman "frustración estructural", donde el sistema no puede asentarse en un patrón simple y estable.

"Pensamos que tal vez esta frustración estructural se traduciría en frustración magnética", comentó el coautor Michael Shatruk, profesor en el Departamento de Química y Bioquímica de FSU. "Si las estructuras están en competencia, tal vez eso hará que los giros se torzcan. Busquemos algunas estructuras que sean químicamente muy cercanas pero que tengan simetrías diferentes".

El equipo probó esta idea combinando un compuesto hecho de manganeso, cobalto y germanio con otro hecho de manganeso, cobalto y arsénico. El germanio y el arsénico están uno al lado del otro en la tabla periódica, lo que hace que los compuestos sean químicamente similares pero estructuralmente distintos.

Una vez que la mezcla se enfrió y cristalizó, los investigadores examinaron el resultado y confirmaron la presencia de los patrones magnéticos en remolino que buscaban. Estos arreglos de giro cíclico son conocidos como texturas de giro similares a skyrmiones, que son un enfoque principal de la investigación actual en física y química.

Para mapear la estructura magnética en detalle, el equipo utilizó mediciones de difracción de neutrones de cristal único recolectadas en el instrumento TOPAZ en la Fuente de Neutrones por Espalación. Esta instalación del Departamento de Energía de EE. UU. se encuentra en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

Por qué importan estos patrones magnéticos

Los materiales que albergan texturas de giro similares a skyrmiones tienen varias ventajas tecnológicas prometedoras. Un uso potencial es en discos duros de próxima generación que almacenan mucho más información en el mismo espacio físico.

Los skyrmiones también pueden moverse utilizando muy poca energía, lo que podría reducir significativamente la demanda de energía en dispositivos electrónicos. En sistemas de computación a gran escala con miles de procesadores, incluso modestos aumentos de eficiencia pueden traducirse en importantes ahorros en electricidad y refrigeración.

La investigación también podría ayudar a guiar el desarrollo de sistemas de computación cuántica tolerantes a fallos. Estos sistemas están diseñados para proteger la información cuántica delicada y continuar funcionando de manera confiable a pesar de errores y ruido, el santo grial del procesamiento de información cuántica.

"Con los datos de difracción de neutrones de cristal único de TOPAZ y nuevas herramientas de reducción de datos y aprendizaje automático de nuestro proyecto LDRD, ahora podemos resolver estructuras magnéticas muy complejas con mucha más confianza", afirmó Xiaoping Wang, un destacado científico en dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. "Esa capacidad nos permite pasar de simplemente encontrar texturas de giro inusuales a diseñarlas y optimizarlas intencionalmente para futuras tecnologías de información y cuánticas".

Diseñando materiales en lugar de buscarlos

Gran parte del trabajo anterior sobre skyrmiones implicó buscar entre materiales conocidos y probarlos uno por uno para ver si aparecían los patrones magnéticos deseados.

Este estudio adoptó un enfoque más deliberado. En lugar de cazar ejemplos existentes, los investigadores diseñaron un nuevo material desde cero, utilizando la frustración estructural como principio orientador para crear un comportamiento magnético específico.

"Es un pensamiento químico, porque estamos pensando en cómo el equilibrio entre estas estructuras los afecta y la relación entre ellas, y luego cómo podría traducirse a la relación entre los giros atómicos", explicó Shatruk.

Al comprender las reglas subyacentes que rigen estos patrones, los científicos podrían eventualmente predecir dónde se formarán texturas de giro complejas antes de fabricar el material.

"La idea es poder predecir dónde aparecerán estas texturas de giro complejas", comentó el coautor Ian Campbell, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Shatruk. "Tradicionalmente, los físicos buscan materiales conocidos que ya exhiben la simetría que buscan y miden sus propiedades. Pero eso limita el rango de posibilidades. Estamos tratando de desarrollar una capacidad predictiva para decir: 'Si combinamos estas dos cosas, formaremos un material completamente nuevo con estas propiedades deseadas'".

Esta estrategia también podría hacer que las tecnologías futuras sean más prácticas al ampliar el rango de ingredientes utilizables. Esa flexibilidad podría permitir a los investigadores cultivar cristales más fácilmente, reducir costos y fortalecer las cadenas de suministro para materiales magnéticos avanzados.

Experiencia de investigación en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge

Campbell completó parte de la investigación en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge mientras estaba apoyado por una beca de FSU.

"Esa experiencia fue fundamental para esta investigación", dijo. "Estar en Oak Ridge me permitió establecer conexiones con los científicos allí y utilizar su experiencia para ayudar con algunos de los problemas que tuvimos que resolver para completar este estudio".

Colaboración y financiamiento

Los coautores adicionales del estudio incluyen a YiXu Wang, Zachary P. Tener, Judith K. Clark y Jacnel Graterol del Departamento de Química y Bioquímica de FSU; Andrei Rogalev y Fabrice Wilhelm del European Synchrotron Radiation Facility; Hu Zhang y Yi Long de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing; Richard Dronskowski de la Universidad RWTH Aachen; y Xiaoping Wang del Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

La investigación fue apoyada por la National Science Foundation y se llevó a cabo utilizando instalaciones en la Universidad Estatal de Florida y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

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