Cambian mediante luz la polaridad de un imán permanente

Mediante rayos láser, unos científicos han logrado cambiar la polaridad de un imán hecho de un material ferromagnético especial. En el futuro, esta estrategia podría permitir el uso práctico de circuitos electrónicos configurables mediante luz.

El logro es obra de un equipo integrado, entre otros, por Olivier Huber y Ataç Imamoğlu, del Instituto de Electrónica Cuántica adscrito al Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich (ETH), y Tomasz Smoleński, de la Universidad de Basilea en Suiza.

En un imán hecho de material ferromagnético, actúan fuerzas combinadas. Para que la aguja de una brújula apunte al norte o que un imán de nevera se adhiera a la puerta, innumerables espines electrónicos en su interior, cada uno de los cuales crea un minúsculo campo magnético, deben alinearse en la misma dirección. Esto se produce mediante interacciones entre los espines, que deben ser más fuertes que el movimiento térmico desordenado dentro del ferroimán. Si la temperatura del material está por debajo de un valor crítico, es posible que quede magnetizado y retenga su estado.

Por el contrario, para cambiar la polaridad de un imán de esa clase, generalmente es necesario calentarlo primero por encima de su temperatura crítica. Los espines electrónicos pueden entonces reorientarse y, tras enfriarse, el campo magnético del imán finalmente apunta en una dirección diferente.

Huber y sus colegas han logrado esta reorientación utilizando únicamente luz, sin calentamiento. Para lograrlo, los investigadores utilizaron un material especial compuesto por dos capas finísimas de ditelururo de molibdeno, un semiconductor orgánico, ligeramente desalineadas entre sí.

Los investigadores utilizaron un pulso láser (en azul) para cambiar la polaridad de un estado ferromagnético en una estructura hecha de un material especial consistente en dos láminas de grosor atómico colocadas una por encima de la otra pero levemente desalineadas (en rojo). (Ilustración: Enrique Sahagún, Scixel / University of Basel, Department of Physics. CC BY-SA)

En estos materiales se pueden formar los llamados estados topológicos. En pocas palabras, los estados topológicos se pueden caracterizar según su apariencia: una bola (sin agujero) o una rosquilla (con un agujero). Cabe destacar que en tales estados una bola no puede convertirse en una rosquilla mediante una simple deformación, lo que significa que los estados topológicos están definidos de forma inequívoca y permanente.

En los nuevos experimentos, se logró configurar los electrones entre estados topológicos que son aislantes eléctricos y otros que son conductores. Sorprendentemente, las interacciones hacen que los espines de los electrones en ambos estados se alineen en paralelo.

Gracias a todo esto, se puede usar un pulso láser para cambiar la orientación colectiva de los espines. Hace unos años, esto ya se había hecho con electrones individuales, pero ahora se ha logrado la "conmutación" o cambio de polaridad de todo el imán. Esta conmutación es permanente.

Huber y sus colegas exponen los detalles técnicos de su logro en la revista académica Nature, bajo el título “Optical control over topological Chern number in moiré materials”. (Fuente: NCYT de Amazings)