Memoria magnética del futuro: cómo la luz doma átomos indomables

Físicos del MIT han creado un nuevo tipo de láser para magnetizar materiales, lo que permitirá mejorar radicalmente los sistemas de almacenamiento de datos. Por primera vez, un equipo de científicos logró influir en la estructura del material a nivel atómico utilizando únicamente pulsos de luz.

Todos los imanes que conocemos funcionan bajo el principio del ferromagnetismo: sus átomos están orientados en una misma dirección, lo que les permite responder a campos magnéticos externos. Los antiferromagnetos, sin embargo, funcionan de manera completamente distinta: los espines de sus átomos están orientados alternadamente en direcciones opuestas. Esta estructura hace que el material sea completamente insensible a los campos magnéticos externos.

En un chip de memoria antiferromagnético, la información se almacena directamente en la estructura atómica del material. Durante la fabricación de dicho chip, se crean "dominios" microscópicos donde la orientación del espín de cada átomo actúa como análogo de "1" o "0" en el código binario. A diferencia de las tecnologías actuales de almacenamiento, los dispositivos de memoria antiferromagnéticos son inmunes a interferencias de campos magnéticos aleatorios.

El profesor titular de física del MIT, Nuh Gedik, explica la particularidad de los materiales antiferromagnéticos: "No responden a campos magnéticos aleatorios, lo cual es tanto una ventaja como una desventaja. Su insensibilidad a campos magnéticos débiles dificulta enormemente su manipulación".

El laboratorio de Gedik investiga fenómenos cuánticos inusuales y desarrolla nuevos métodos para trabajar con materiales a nivel microscópico. Durante los experimentos, se descubrió que la interacción de los espines influye en los procesos vibratorios dentro de la estructura del material. Los investigadores plantearon una hipótesis: si se generan vibraciones a una frecuencia natural del material, se puede alterar la alineación existente de los espines. Como resultado, las partículas comienzan a girar intensamente en una dirección, creando un estado magnetizado estable.

"Con la luz, exploramos las propiedades fundamentales de los materiales", explica Gedik. "Nos interesa la naturaleza del antiferromagnetismo y la posibilidad de transformar el material modificando la interacción de sus componentes".

En la investigación se utilizó un láser de terahercios con una frecuencia de oscilación superior a un billón de veces por segundo. La configuración precisa de la radiación permitió influir en la orientación de los espines y crear nuevas configuraciones magnéticas. Por primera vez, se encontró un método para controlar estructuras antiferromagnéticas.

Los experimentos se realizaron con una muestra de FePS3, fabricada en la Universidad Nacional de Seúl. Este material entra en una fase antiferromagnética a una temperatura de aproximadamente 118 kelvin (-155 grados Celsius). El equipo del MIT colocó la muestra en una cámara de vacío y la enfrió por debajo de este umbral.

Para enfocar las frecuencias de terahercios, los investigadores dirigieron un haz de radiación infrarroja cercana a través de un cristal orgánico. Este enfoque garantizó la máxima precisión en la interacción con el objeto de estudio.

Para confirmar la eficacia del método, se dirigieron a la muestra dos láseres infrarrojos con polarización opuesta. Si los cambios observados no hubieran sido causados por el pulso de terahercios, la intensidad de la transmisión habría permanecido constante.

Las repeticiones múltiples del experimento mostraron resultados consistentes: el pulso de terahercios siempre provocó el efecto deseado. Un aspecto particularmente destacado fue la duración del nuevo estado después de cesar el impacto del láser.

"Se pensaba que controlar las estructuras antiferromagnéticas era prácticamente imposible", señala Gedik. "Ahora tenemos herramientas para ajustarlas y modificarlas con precisión".

Los resultados de la investigación fueron publicados el 18 de diciembre de 2024 en la revista Nature, en el artículo "Terahertz Field-Induced Metastable Magnetization Near Criticality in FePS3".