Jugando con la anisotropía magnética de los lantánidos en superficies

El camino hacia la reducción del tamaño de dispositivos electrónicos pasa por el uso de átomos como elementos de memoria. Para convertir un átomo en un bit de información, es necesario manipular su estado magnético. Por ello, los investigadores buscan átomos con un alto grado de anisotropía, que puedan ser fácilmente manipulables.

Los lantánidos (elementos 4f) poseen propiedades que los hacen interesantes para estabilizar el magnetismo. El acoplamiento espín-órbita hace que puedan tener una anisotropía muy alta, y un estado magnético muy estable que podría ser protegido de desestabilizaciones del entorno. Estos elementos 4f tienen un momento magnético mayor que elementos usados habitualmente para aplicaciones magnéticas como son el hierro (Fe) o el cobalto (Co).

Recientemente se ha demostrado que átomos individuales de lantánidos pueden usarse para almacenar información como bits. Sin embargo, el principal problema con estos sistemas de átomos aislados es su alta difusión al depositarlos en superficies con el objetivo de construir dispositivos de memoria.

Investigadores liderados por David Écija, del Instituto IMDEA Nanociencia en España, han diseñado redes metal-orgánicas de disprosio en superficies, observándose un fuerte aumento de la anisotropía magnética en comparación con átomos individuales. También se ha detectado un cambio en la dirección del eje de magnetización. En un átomo aislado de disprosio la orientación de la anisotropía es fuera del plano, mientras que en el átomo coordinado mediante enlaces moleculares, la anisotropía presenta un ángulo oblicuo y es más fuerte. El resultado pone de manifiesto la complejidad del magnetismo en sistemas de lantánidos en superficies, que pueden ser alterados drásticamente mediante pequeños cambios estructurales.

Los átomos de disprosio en redes metal-orgánicas bidimensionales sobre una superficie de cobre reorientan su eje fácil de imanación. (Imagen: Patricia Bondía (Smallin3D))

El magnetismo del sistema se midió mediante la técnica de dicroísmo magnético por Sofia Parreiras (MSCA fellow en IMDEA Nanociencia) en colaboración con los científicos de la línea BOREAS del Sincrotrón ALBA, dirigidos por Pierluigi Gargiani. “Es interesante para determinar en qué situaciones la anisotropía tiene una determinada orientación, a fin de poder desarrollar aplicaciones relacionadas con el magnetismo”, comenta Sofia. En el próximo paso de esta investigación, esperan encontrar una anisotropía más fuerte usando otros elementos lantánidos, como el erbio, así como desacoplar el sistema usando otros sustratos diferentes.

Este resultado científico, publicado con el título “Tuning the Magnetic Anisotropy of Lanthanides on a Metal Substrate by Metal–Organic Coordination” en la revista académica Small, ha sido portada principal del número 35 de esa revista.

La investigación es una colaboración entre el IMDEA Nanociencia, el ICN2, el ICMM-CSIC, el Sincrotrón ALBA, y la Freie Universität de Berlín, esta última en Alemania, bajo la dirección de David Écija. (Fuente: IMDEA Nanociencia)