Imágenes magnéticas: las microflores aumentan el campo magnético local

Los materiales con nanoestructuras magnéticas tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales. Un área de aplicación es la denominada «espintrónica», con dispositivos que codifican información en dominios magnéticos. Estos bits magnéticos pueden escribirse, leerse y borrarse de una forma más eficiente energéticamente que los bits de los dispositivos semiconductores actuales. Las texturas de espín y los dominios magnéticos en dichos materiales pueden estudiarse mediante técnicas de imagen magnética a nanoescala, por ejemplo, la microscopía electrónica de fotoemisión (PEEM), combinada con un mecanismo de detección sensible al campo magnético. Sin embargo, observar el comportamiento de los materiales bajo campos magnéticos más intensos resulta difícil, si no imposible, ya que los fotoelectrones emitidos por la muestra y detectados por el microscopio se desvían fuertemente por la denominada fuerza de Lorentz, que aparece cuando hay un campo magnético presente. Hasta ahora, solo se podían aplicar campos magnéticos muy débiles, de hasta 30 militeslas (mT), durante la obtención de imágenes, lo que significaba que solo se podían estudiar sistemas ferromagnéticos blandos, mientras que los sistemas ferromagnéticos semiduros y duros seguían siendo inaccesibles para la obtención de imágenes en campo.

Lupa

En colaboración con equipos de investigación de España, Bélgica, el Reino Unido y China, el físico del HZB, el Dr. Sergio Valencia, ha desarrollado ahora un método que supera esta limitación. Para lograrlo, el equipo ha diseñado diminutos concentradores de flujo magnético (MFC) fabricados con materiales ferromagnéticos, en los que se integran las nanoestructuras o microestructuras que se van a investigar. La geometría de los MFC se asemeja a una flor con varios pétalos. Esta geometría concentra el campo magnético aplicado en una región central donde se encuentra la muestra. Aumenta el campo magnético local, de forma similar a como lo hace una lupa con la luz solar.

Factor 5

«En2025, pudimos demostrar que estas “microflores” mejoran considerablemente la sensibilidad de los sensores magnéticos situados en su centro. Ahora, en una nueva etapa, las hemos utilizado para amplificar localmente un campo magnético aplicado dentro de una región minúscula donde se encuentra la muestra que se va a investigar. Y funciona. Ahora podemos obtener imágenes de dominios magnéticos de hasta al menos 150 mT, por lo que el campo local es mucho mayor que nuestro límite de 30 mT. La razón es que este campo está tan confinado que los electrones casi no experimentan desviación», afirma Valencia. Los MFC amplificaron el campo magnético local en un factor de 5; en teoría, son posibles incluso aumentos de hasta un factor de 30. «Ajustando la geometría del MFC, podemos controlar con precisión cómo se amplifica el campo magnético y adaptarlo a la geometría específica de la muestra», explica Valencia.

Prueba con dos muestras diferentes

A modo de demostración, el equipo de Valencia examinó dos muestras diferentes de magnetita de origen biológico en la estación PEEM de BESSY II: una cadena de nanopartículas magnéticas con diámetros de unos 45 nanómetros, sintetizadas de forma natural por bacterias magnetotácticas, y un fósil de 60 millones de años de antigüedad con un tamaño aproximado de 2 micrómetros. Se utilizó luz de rayos X polarizada para obtener sensibilidad magnética durante la obtención de imágenes mediante dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD-PEEM). Además de demostrar el enfoque para aumentar localmente los campos magnéticos, los experimentos revelaron también nuevos conocimientos: en el magnetofósil gigante se observó por primera vez la evolución de la estructura de los dominios magnéticos.

Nuevos conocimientos sobre los materiales cuánticos

Este trabajo supone un enorme paso adelante para la obtención de imágenes magnéticas con PEEM. Al ampliar el rango accesible de campos magnéticos, se incrementa el número de aplicaciones y sistemas que pueden investigarse, como nuevos sistemas a nanoescala con transiciones de fase magnéticas dependientes del campo y de la temperatura, hielo de espín artificial, nanopartículas y nanoestructuras magnéticas, así como dispositivos espintrónicos antiferromagnéticos, como válvulas de espín y uniones de magnetorresistencia de túnel, incluidos los imanes de van der Waals bidimensionales. 

Cabe destacar que los MFC también podrían utilizarse para generar localmente campos magnéticos más intensos en otras técnicas de microscopía basadas en electrones, así como en técnicas en las que las limitaciones espaciales restringen el tamaño de los sistemas convencionales para generar campos magnéticos. En este sentido, técnicas como la microscopía de transmisión de rayos X, la ptychografía de rayos X y la laminografía de rayos X también podrían beneficiarse de las dimensiones a escala micrométrica de los MFC y de su integración directa con la muestra.