08.04.2021 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.

Estrategia de panqueques para ganar

Un tratamiento térmico especial mejora el nuevo material magnético

Los "skyrmions", diminutos vórtices magnéticos, se consideran candidatos prometedores para los dispositivos de memoria de información del futuro, que podrían alcanzar enormes capacidades de almacenamiento y procesamiento de datos. Un equipo de investigación dirigido por el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha desarrollado un método para hacer crecer un material de película fina magnética particular que alberga estos vórtices magnéticos. Un aspecto central de este nuevo método es el calentamiento brusco del material con destellos de luz breves y muy brillantes, como describe el equipo internacional, formado por científicos del HZDR, el Instituto Leibniz de Investigación del Estado Sólido y los Materiales de Dresde, la Universidad Técnica de Dresde (TUD) y socios chinos, en la revista Advanced Functional Materials.

En 2009, un equipo de investigación hizo un descubrimiento extraordinario: Descubrieron que se pueden formar diminutos vórtices magnéticos en un material llamado siliciuro de manganeso, una aleación de manganeso y silicio. Desde entonces, estos skyrmions, que llevan el nombre del físico británico Tony Skyrme, se consideran candidatos prometedores para futuros dispositivos de almacenamiento magnético. Pueden formarse y borrarse fácilmente de las superficies y su tamaño no supera unos pocos nanómetros (milmillonésimas de metro), lo que los hace mucho más pequeños que los bits magnéticos de los discos duros actuales, que miden unos 50 nanómetros.

"Además, los skyrmions pueden dirigirse mejor con electricidad que con campos magnéticos, como se hace con los discos duros actuales", explica el Dr. Shengqiang Zhou, físico del Instituto de Física de Rayos Iónicos e Investigación de Materiales del HZDR. "Apuntar con una corriente eléctrica nos permite lograr una mejor escalabilidad, lo que podría permitirnos construir dispositivos de almacenamiento mucho más densos y rápidos en el futuro". Pero aún quedan algunos obstáculos por superar en el camino. Entre otras cosas, el silicio y el manganeso presentan una propiedad desfavorable cuando forman cristales de siliciuro de manganeso: En lugar de producir sistemáticamente una fase específica y bien definida, los dos elementos pueden formar muchas fases cristalinas diferentes. Las películas delgadas de una aleación Mn-Si, conocida como fase B20, son especialmente adecuadas para la formación de skyrmions.

Fases cristalinas indeseables

Sin embargo, producir esta aleación no es nada fácil, ya que durante el proceso de producción se forma inevitablemente otra fase cristalina indeseable, denominada MnSi1.7, que impide la formación de skyrmions. En concreto, las temperaturas más bajas y el enfriamiento más lento del material favorecen el MnSi1.7. El equipo de Shengqiang Zhou ha desarrollado ahora un método que impide su formación, dejando sólo finas capas de B20-MnSi sin defectos.

El elemento central del nuevo proceso es un tratamiento térmico especial. "Es un poco como hacer una tortita", explica Zhou. "Sabe mejor cuando está crujiente por fuera y lo más suave posible por dentro". Cuando se vierte la masa en una sartén caliente, se hornea tan rápido que el interior queda bien y blando. Sin embargo, cuando se cuece la masa en el horno, se calienta de forma mucho más uniforme y se endurece por todas partes, y se obtiene una tortita más bien mediocre.

Calentar con destellos

Así que los expertos utilizaron como modelo esta estrategia de calentamiento rápido e intenso de las tortitas. "Cuando calentamos muy brevemente una fina película de manganeso colocada sobre una oblea de silicio, introducimos muy poca energía en el material", explica Zhou su razonamiento. "Esto significa que se enfriará rápidamente - tan rápido, de hecho, que el MnSi1.7 no deseado no tendrá tiempo de formarse". El reto es cómo calentar algo de forma rápida y vigorosa al mismo tiempo. El grupo de investigación encontró la solución en los destellos brillantes e intensos de luz blanca.

Tales destellos pueden generarse en el "BlitzLab", un laboratorio de innovación Helmholtz situado en el campus de Rossendorf. Varias series de mediciones confirmaron la hipótesis: "Al variar la potencia de los destellos, pudimos ajustar la proporción de las diferentes fases del cristal con gran precisión", informa Shengqiang Zhou. "Cuando aplicamos potencias relativamente fuertes, se formaron películas delgadas de B20-MnSi puro, como esperábamos".

Como resultado, los skyrmions que pueden generarse en estas capas son ahora estables en un rango de temperatura y campo magnético mucho más amplio que el observado anteriormente en este material. Es poco probable que el siliciuro de manganeso en sí mismo sea adecuado para su uso práctico, ya que sólo funciona a temperaturas muy bajas. Pero podría servir de modelo importante para otros materiales más practicables. "Muchas aleaciones presentan el problema de que tienen diferentes fases", explica Zhou. "Y nuestro enfoque podría ayudar a separar estas fases en el futuro".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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