Investigadores de la Universidad de Basilea y de la ETH de Zúrich lograron cambiar la polaridad de un ferroimán especial mediante un rayo láser. En el futuro, este método podría utilizarse para crear circuitos electrónicos adaptables con luz.
En un ferroimán actúan fuerzas combinadas. Para que la aguja de una brújula apunte al norte o un imán de nevera se pegue a la puerta del frigorífico, innumerables electrones giran en su interior, cada uno de los cuales sólo crea un pequeño campo magnético, y todos deben alinearse en la misma dirección. Esto sucede a través de interacciones entre los espines, que tienen que ser más fuertes que el movimiento térmico desordenado dentro del ferroimán. Si la temperatura del material está por debajo de un valor crítico, se vuelve ferromagnético.
Por el contrario, para cambiar la polaridad de un ferroimán, normalmente es necesario calentarlo primero por encima de su temperatura crítica. Los espines de los electrones pueden entonces reorientarse y, tras enfriarse, el campo magnético del ferroimán acaba apuntando en una dirección diferente.
Un equipo de investigadores dirigido por el Prof. Dr. Tomasz Smoleński de la Universidad de Basilea y el Prof. Dr. Ataç Imamoğlu de la ETH de Zúrich ha logrado lograr dicha re-orientación utilizando únicamente luz-sin ningún calentamiento. Publicaron sus resultados enNaturaleza.
Interacciones y topología
"Lo interesante de nuestro trabajo es que combinamos los tres grandes temas de la física moderna de la materia condensada en un solo experimento: interacciones fuertes entre los electrones, topología y control dinámico", dice Imamoğlu.
Para lograrlo, los investigadores utilizaron un material especial que consta de dos capas finas como una oblea del semiconductor orgánico ditelururo de molibdeno, que están ligeramente torcidas entre sí.
En tales materiales se pueden formar los llamados-estados topológicos. En pocas palabras, los estados topológicos se pueden caracterizar en función de su apariencia: una bola (sin agujero) o un donut (un agujero). Es importante destacar que una bola no puede convertirse en un donut mediante una simple deformación, lo que significa que los estados topológicos están definidos de forma inequívoca y permanente.
En los nuevos experimentos co-supervisados por Smoleński e Imamoğlu, los electrones podrían sintonizarse entre estados topológicos que son aislantes y estados metálicos que son conductores. Sorprendentemente, las interacciones hacen que los espines de los electrones en ambos estados se alineen paralelos entre sí, convirtiendo el material en un ferroimán.
"Nuestro principal resultado es que podemos utilizar un pulso láser para cambiar la orientación colectiva de los espines", dice Olivier Huber, Ph.D. estudiante de la ETH, que realizó los experimentos junto con su colega Kilian Kuhlbrodt y Tomasz Smoleński. Hace unos años esto ya se hacía con electrones individuales, pero ahora se ha logrado la "conmutación" o cambio de polaridad de todo el ferroimán.
"Esta conmutación era permanente y, además, la topología influye en la dinámica de conmutación", afirma Smoleński.
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Control dinámico del ferroimán.
De este modo, con el impulso láser también se pueden trazar nuevas líneas límite, dentro de las cuales se encuentra el estado topológico ferromagnético. Esto puede realizarse repetidamente, de modo que sea posible un control dinámico de las propiedades topológicas y ferromagnéticas.
Para demostrar que el diminuto ferroimán, de sólo unos pocos micrómetros de tamaño, había cambiado realmente su polaridad, los investigadores midieron la reflexión de un segundo rayo láser, mucho más débil. Esta reflexión reveló la orientación de los espines de los electrones.
"En el futuro podremos escribir ópticamente circuitos topológicos arbitrarios y adaptables en un chip con nuestro método", afirma Smoleński. Este método podría utilizarse posteriormente para crear pequeños interferómetros con los que se podrían medir campos electromagnéticos extremadamente pequeños.
