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La imanación puede controlarse sin campos magnéticos

La imanación puede controlarse sin campos magnéticos

viernes 12 de junio de 2009, 00:00h
En el marco de una colaboración europea, grupos de investigación franceses y españoles han demostrado experimentalmente que se puede controlar la imanación de nanoestructuras magnéticas de manera eficiente sin la necesidad de usar campos magnéticos externos.
Investigadores del Centre National de Recherche Scientifique francés, el Institut Néel (Grenoble) y la Unité Mixte de Physique CNRS-Thales (Paris), y grupos de investigación españoles, pertenecientes al Instituto de Materiales Nicolás Cabrera de la UAM y al Instituto IMDEA Nanociencia, han desarrollado experimentos que muestran la viabilidad de manipular la dirección de la imanación en nanoestructuras magnéticas mediante el paso de pequeñas corrientes eléctricas.

Los materiales ferromagnéticos están formados por “dominios”, zonas donde sus momentos magnéticos están alineados, es decir, donde su imanación es uniforme. En la mayor parte de las aplicaciones que involucran estos sistemas tiene que ser aplicado un campo magnético externo en alguna etapa, ya sea para modificar el estado de imanación del sistema o para dirigir el campo magnético en una dirección definida. Sin embargo, según se han ido reduciendo los tamaños de los sistemas el control mediante campos magnéticos externos presenta severas desventajas. El volumen ocupado por las bobinas que generan el campo magnético se hace relativamente cada vez más importante. Además, una cantidad grande de energía se pierde en las bobinas que crean dicho campo magnético (calentamiento por efecto Joule). Dichos problemas han estimulado la búsqueda de nuevos procedimientos.

La manipulación de la imanación mediante inyección de corriente, ya sea para invertirla o para desplazar paredes de dominio magnético,* es uno de los descubrimientos más recientes y apasionantes dentro del área de la Espíntronica (término que hace alusión al electrón y a su espín, una suerte de movimiento intrínseco de rotación y en caso del electrón puede tomar dos valores). Este fenómeno es una consecuencia de la transferencia de momento angular desde la corriente de electrones que se polariza en espín al atravesar un material magnético con una orientación magnética determinada (ver Figura). Este fenómeno ha sido ya propuesto para futuras aplicaciones en tecnologías de la información y de la comunicación para realizar, por ejemplo, dispositivos lógicos, generadores de hiperfrecuencia y memorias no volátiles. Alcanzar movimientos de pared de dominio reproducibles, velocidades altas y densidades de corriente bajas son los desafíos principales en este campo.

Experimentos singulares de microscopia magnética con selectividad química realizados en el sincrotrón Europeo ESRF han mostrado la viabilidad de desplazar paredes de dominio magnético en nanoestructuras magnéticas mediante inyección de corriente de manera muy eficiente (altas velocidades y bajas densidades de corriente) [1], sin la necesidad de aplicar campos magnéticos externos. En estos experimentos  se muestran en el espacio real, con resolución espacial nanométrica y resolución química, desplazamientos de paredes de dominio magnético en nanohilos con estructura válvula de espín, i.e. tricapas compuestas por dos materiales magnéticos separadas por un espaciador no magnético. En comparación con estudios realizados hasta la fecha en nanohilos convencionales formados por una sola capa magnética, las velocidades de desplazamiento observadas en las estructuras tipo válvula de espín son casi un orden de magnitud mayor y las densidades de corriente críticas requeridas son un orden de magnitud menor [2].

Este trabajo abre las puertas al futuro desarrollo de nuevos dispositivos espintrónicos basados en el desplazamiento de las pareces de dominio magnético mediante inyección de corriente, con la ventaja sobre los dispositivos actuales de que pueden se controlables sin necesidad de campos magnéticos externos. Estos dispositivos tendrán la capacidad de almacenar una mayor densidad de información y, desde el punto de vista del ahorro energético, presentarán un menor gasto de energía. A su vez, invita a revisar las teorías existentes sobre el fenómeno de la transferencia de espín ya que éstos no pueden explicar ni las altas velocidades observadas ni las bajas densidades de corriente requeridas.

*Una pared de dominio define la región del espacio que separa dominios magnéticos que presentan diferente orientación de su imanación.
[1] S. Pizzini et al., ESRF Highlights 2008, 89 (2009).
[2] S. Pizzini et al., Applied Physics Express 2, 023003 (2009).

 
Fig. Representación esquemática del desplazamiento de paredes de dominio magnético mediante inyección de corriente. Los electrones con el espín paralelo a la dirección de imanación M, representados con caras sonrientes, se propagan a través del material magnético más fácilmente. La acumulación de estos electrones polarizados en la pared de dominio transfiere momento angular de espín a ésta, y experimenta una  reorientación de la dirección de su imanación local.
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