Ciencia Brasil São Paulo, São Paulo, Miércoles, 06 de junio de 2018 a las 09:57

La magnetización casi instantánea de la materia por medio de la luz

Un solo fotón fue capaz de alinear los espines de seis mil electrones en tan sólo 50 picosegundos. Este trabajo realizado en Brasil abre perspectivas de avances tecnológicos en la industria de componentes electrónicos

AGÊNCIA FAPESP/DICYT - La producción de dispositivos destinados al almacenamiento o a la transmisión de información es una de las aplicaciones tecnológicas más usuales del magnetismo. Y en el marco de un estudio experimental y teórico desarrollado en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IFUSP), en Brasil, se ha descubierto una manera ultrarrápida de magnetizar la materia con un consumo mínimo de energía.

 

Se trata de la magnetización por medio de la luz. Una lámpara de 50 vatios situada a pocos centímetros de una placa de seleniuro de europio (EuSe) es capaz de magnetizar dicha placa en el lapso de tiempo de 50 picosegundos (50 billonésimas de segundo). Y un artículo al respecto ha salido publicado en Physical Review Letters, bajo el título de Ultrafast light switching of ferromagnetism in EuSe.

 

Esta investigación, a cargo de André Bohomoletz Henriques –profesor titular del IFUSP– y colaboradores, contó con el apoyo de la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de São Paulo – FAPESP.

 

“Nuestro objetivo fue encontrar nuevos mecanismos tendientes a alterar la imantación de materiales a una escala de tiempo ultracorta utilizando luz únicamente. La novedad de esta investigación consistió en viabilizar magnetizaciones muy grandes con cantidades muy pequeñas de luz”, declaró Bohomoletz Henriques.

 

El proceso se concretó experimentalmente en el Laboratorio de Magnetoóptica de la USP, pero la interpretación del fenómeno le exigió al grupo encabezado por Bohomoletz Henriques un trabajo teórico de fuste, que comprendió tareas tales como cálculos autoconsistentes de mecánica cuántica y simulaciones de Montecarlo.

 

La magnetización (o imantación) de un material es producto del ordenamiento espacial de los espines de sus partículas constitutivas. En la materia no imantada, los espines de los átomos (resultantes de los espines de sus electrones) aparecen desordenados. Como se trata de una magnitud vectorial, el espín de cada átomo apunta en una dirección arbitraria. En determinadas situaciones, el paso de la luz es capaz de ordenar esos espines y, como consecuencia de ello, magnetizar completamente un material inicialmente desordenado. Este proceso de imantación por medio de la luz aparece ilustrado en la figura que ilustra este artículo.

 

El material elegido para la realización del experimento fue el semiconductor seleniuro de europio (EuSe). En éste, cada fotón de luz ordenó los espines de seis mil electrones.

 

“Esto sucede porque al interactuar con un electrón, el fotón lo eleva de un estado fuertemente localizado en el átomo a un estado que se extiende sobre muchos átomos. El resultado de ello es que en un lapso de tiempo extraordinariamente corto, de cerca de 50 picosegundos, todos los átomos existentes dentro del alcance de la función de onda del electrón giran sus espines hacia una dirección común y generan un momento magnético supergigante, de 6.000 magnetones de Bohr. Esto equivale al momento magnético de 6.000 electrones con todos sus espines apuntados en la misma dirección. Este resultado, considerado inesperado y espectacular por los revisores de Physical Review Letters, indicó que con un solo fotón logramos alinear los espines de seis mil electrones”, explicó Bohomoletz Henriques.

 

Comúnmente, el espín es concebido como una rotación de la partícula alrededor de un eje; pero esta concepción no corresponde a la realidad. Sirve únicamente para que asociemos en la imaginación a la partícula con una corriente eléctrica, que equivale a un momento magnético.

 

Así como poseen masa inercial y carga eléctrica, las partículas también tienen una tercera propiedad física llamada espín. Dicha propiedad, caracterizada por medio de un vector (es decir, una fuerza con magnitud, dirección y sentido), describe el momento magnético de la partícula. Al igual que la aguja de una brújula, que al poseer un momento magnético sufre un torque en el campo magnético de la Tierra que la orienta en la dirección norte-sur, también el espín de una partícula tiende a orientarse en la dirección del campo magnético que actúa sobre ella.

 

“Para magnetizar el seleniuro de europio, el fotón debe tener la energía suficiente como para transferir un electrón de una órbita muy cercana al núcleo atómico a una órbita alejada, ubicada en la banda de conducción. Una vez ascendido, ese electrón pasa a interactuar magnéticamente con miles de átomos situados a su alrededor. La interacción entre el momento magnético del electrón y los momentos magnéticos de los átomos ubicados a su alrededor es lo que genera el alineamiento de los espines”, dijo Bohomoletz Henriques.

 

La interacción antiferromagnética

 

Se eligió el seleniuro de europio como material a causa de su alta susceptibilidad magnética, es decir, debido a la fuerte tendencia de los espines de los átomos de europio a alinearse bajo el efecto de un campo magnético muy pequeño.

 

“Además de existir una interacción magnética entre el electrón y los átomos de europio, existe también una interacción magnética entre los propios átomos de europio. La interacción entre los primeros vecinos es ferromagnética, es decir que favorece el alineamiento en la misma dirección y en el mismo sentido. Pero la interacción entre los segundos vecinos es antiferromagnética, lo cual favorece el alineamiento en sentidos opuestos”, dijo Bohomoletz Henriques.

 

“Estas dos interacciones casi que se anulan, pero prevalece por muy poco la interacción antiferromagnética. Por este motivo, en condiciones usuales, este material se presenta en el estado antiferromagnético, sin imantación. Pero cualquier pequeña perturbación, tal como la presencia del electrón, puede interferir en ese delicado balance de interacciones y favorecer el estado ferromagnético, es decir, el alineamiento de todos los espines del cristal en la misma dirección y en el mismo sentido, magnetizando casi instantáneamente el material”, dijo.

 

Existen distintas formas de interacción magnética. La más conocida es la interacción dipolar, característica de la atracción entre dos imanes. Pero existe también la interacción de canje (exchange interaction), que es mucho más fuerte y que determina la propia imantación de la aguja de una brújula o de un imán de heladera.

 

La interacción de canje, de origen electrostático, constituye un fenómeno cuántico, derivado del Principio de Exclusión de Pauli, sin análogo en la física clásica. Este proceso es lo que hace posible la imantación ultrarrápida de la materia por medio de la luz con un consumo mínimo de energía.

 

Aunque el presente estudio transcurrió en el ámbito estricto de la investigación básica, los investigadores que lo llevaron adelante no están desatentos a sus eventuales aplicaciones tecnológicas, en un contexto de avance acelerado de la industria electrónica. De acuerdo con un editorial de marzo de 2018 de la revista Nature Physics, la manipulación del magnetismo en los materiales antiferromagnéticos como el seleniuro de europio constituye un campo de investigación emergente, que tiene un prometedor potencial de aplicación en dispositivos electrónicos.

 

 

 

Referencia bibliográfica
El artículo titulado Ultrafast light switching of ferromagnetism in EuSe está publicado en: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.217203.