12/12/2013 - Nueva ruta para diseñar nanodispositivos para sensores y para procesar y almacenar información

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Científicos del Instituto de Nanociencia de Aragón (INA) y del Laboratorio de Microscopías Avanzadas (LMA) del campus aragonés  han participado junto a expertos de Reino Unido, Portugal y Alemania en el control eléctrico de la anisotropía de imanes monoatómicos, es decir, en la gestión eléctrica de una propiedad que, anteriormente, sólo podía ajustarse mediante cambios estructurales.

Gracias a este estudio, que se publica en la revista científica Nature Nanotechnology, se ha demostrado que la energía necesaria para cambiar la orientación magnética de un solo átomo, es decir, la que determina su estabilidad y, por tanto, su utilización en múltiples dispositivos en el futuro, se puede controlar mediante el acoplamiento eléctrico del átomo con un metal.

Este resultado ha sido posible gracias a la colaboración de un grupo internacional de expertos, entre ellos David Serrate, investigador  Ramón y Cajal de la Universidad de Zaragoza, y María Moro, del INA y del LMA de la Universidad de Zaragoza, así como científicos del University College London (London Center for Nanotechnology, UCL-LCN, Reino Unido), el Iberian Nanotechnology Laboratory (INL, Portugal) y el Max Planck Institute of Microstructure Physics (Alemania).

Dos imanes se atraen o se repelen dependiendo de la orientación de sus polos magnéticos. El hecho de que esos polos están orientados en una dirección específica se conoce como anisotropía magnética. La anisotropía magnética juega un papel determinante en un amplio rango de aplicaciones, desde la aguja de una brújula, pasando por los discos duros, hasta la resonancia magnética nuclear.

Mediante el uso de microscopios de efecto túnel (STM, del inglés Scanning Tunnelling Microscopy), los investigadores han descubierto un nuevo mecanismo que controla la anisotropía magnética en la escala atómica. Estos sofisticados equipos se encuentran en el  Laboratorio de Microscopias Avanzadas (LMA) de la Universidad de Zaragoza y permiten observar y manipular átomos individuales adsorbidos –fijados mediante interacciones físicas o químicas-- en superficies.

Joaquín Fernández-Rossier, del Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) de Portugal, asegura que en el caso de “trozos” grandes de material magnético, la anisotropía magnética viene fundamentalmente impuesta por la forma. Los átomos que forman ese imán poseen asimismo un magnetismo intrínseco, y por tanto una anisotropía magnética asociada. Sin embargo, los átomos son tan pequeños (en un imán con forma de dado de 1 mm de lado caben aproximadamente cien millones de billones de átomos, 10²⁰) que no se les puede asociar una forma definida, y esto hace que su anisotropía esté controlada típicamente por la posición y la carga eléctrica de los átomos vecinos.

En este experimento, el equipo investigador observó fuertes variaciones de la anisotropía magnética de átomos individuales de Co en función de su posición sobre una mono-capa aislante de nitruro de cobre, crecida a su vez sobre una superficie metálica. En los laboratorios del LMA, los investigadores pudieron analizar estadísticamente la correlación de estos cambios con el acoplamiento eléctrico al metal. Con la ayuda de teórica y de modelado computacional realizada por los equipos en Portugal y Alemania, se pudo identificar las interacciones electrónicas con el metal como factor determinante de la anisotropía magnética.

David Serrate, investigador Ramón y Cajal de la Universidad de Zaragoza en el INA, destaca que “las infraestructuras del INA-LMA están jugando un papel fundamental en el avance de la Nanociencia, y un buen ejemplo son las colaboraciones científicas relevantes como ésta. Si persiste el compromiso institucional en su desarrollo y mantenimiento, Aragón puede consolidarse como un enclave estratégico en el sector de la Nanotecnología”.  

Por su parte, Cyrus Hirjibehedin, del London Center for Nanotechnology (LCN), que lideró y coordinó la investigación, subraya la trascendencia que supone el control eléctrico de una propiedad que anteriormente sólo podía ajustarse mediante cambios estructurales. “Sin duda, abre una nueva ruta en el diseño nano-dispositivos para sensores y para procesamiento y almacenamiento de la información.”

En contraste con otros mecanismos convencionales, el nuevo efecto permite ajustar la anisotropía magnética eléctricamente, es decir, utilizando el mismo mecanismo que opera en los transistores de efecto campo. Este resultado es especialmente relevante en la actualidad, ya que demuestra que es posible maximizar la anisotropía magnética sin el uso de tierras raras, materiales escasos cuya extracción presenta problemas medioambientales y geoestratégicos.

Enlace al artículo:

“Control of single-spin magnetic anisotropy by exchange coupling” http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2013.264

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