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| El Dr. Christian Franz, científico de instrumentos de la Universidad Técnica de Múnich, en el espectrómetro de eco de espín de resonancia RESEDA del Centro Heinz Maier-Leibnitz en la Fuente de Neutrones de Investigación Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) de la Universidad Técnica de Múnich. Crédito: Wenzel Schürmann / TUM |
Al igual que los electrones fluyen a través de un conductor eléctrico, las excitaciones magnéticas pueden viajar a través de ciertos materiales. Estas excitaciones, conocidas en física como "magnones" por analogía con el electrón, podrían transportar información con mucha más facilidad que los conductores eléctricos. Un equipo internacional de investigación ha hecho un importante descubrimiento en el camino hacia esos componentes, que podrían ser muy eficientes energéticamente y considerablemente más pequeños.
En la actualidad, el transporte y el control de las cargas eléctricas constituyen la base de la mayoría de los componentes electrónicos. Una de las principales desventajas de esta tecnología es que el flujo de corrientes eléctricas genera calor debido a la resistencia eléctrica. Teniendo en cuenta el gigantesco número de componentes electrónicos que se utilizan en todo el mundo, la pérdida de energía es inmensa.
Una alternativa energéticamente eficiente podría ser el uso de ondas de espín para transportar y procesar la información, ya que no producen tanto calor residual. Además, estos componentes podrían ser mucho más compactos. Por ello, científicos de todo el mundo están buscando materiales en los que las ondas de espín magnético puedan utilizarse para transportar información.
Un consorcio internacional de investigación, con una importante participación de la Universidad Técnica de Múnich (TUM), ha dado ahora un importante paso adelante en esta búsqueda. Sus observaciones de las ondas de espín en trayectorias circulares en ciertos materiales magnéticos podrían representar también un avance para las tecnologías cuánticas que utilizan las ondas para transportar información.
Propagación de las ondas magnéticas en los materiales
Cuando se lanza una piedra al agua, se saca a las moléculas de agua de su posición de equilibrio. Comienzan a oscilar y se propaga una onda circular. De forma muy similar, los momentos magnéticos de algunos materiales pueden hacerse oscilar. En este proceso, el momento magnético realiza un movimiento giroscópico con respecto a su posición de reposo. La precesión de un momento afecta a la vibración de su vecino, y así se propaga la onda.
Para las aplicaciones que utilizan estas ondas magnéticas, es importante controlar propiedades como la longitud de onda o la dirección. En los ferromagnetos convencionales, en los que todos los momentos magnéticos apuntan en la misma dirección, las ondas magnéticas suelen propagarse en línea recta.
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| Marc Janoschek con el instrumento TASP en la Fuente Suiza de Neutrones por Espalación SINQ del Instituto Paul Scherrer, Villigen (Suiza). Crédito: Mahir Dzambegovic / Paul Scherrer Institut |
La propagación de estas ondas es muy diferente en una nueva clase de materiales magnéticos, que, como una caja de espaguetis crudos, están formados por una apretada disposición de tubos de vórtices magnéticos. Este orden magnético fue descubierto hace casi quince años por un equipo dirigido por Christian Pfleiderer y Peter Böni en la Universidad Técnica de Múnich mediante experimentos con neutrones.
Debido a sus propiedades topológicas no triviales, y en reconocimiento a los desarrollos teórico-matemáticos del físico nuclear británico Tony Skyrme, estos tubos de vórtice se conocen como skyrmions.
Propagación de ondas magnéticas en una trayectoria circular
Dado que los neutrones son portadores de un momento magnético, son especialmente adecuados para el estudio de los materiales magnéticos. Al igual que la aguja de una brújula, responden sensiblemente a los campos magnéticos. La dispersión de neutrones ha resultado ser la única técnica capaz de detectar las ondas de espín en órbitas circulares, ya que proporciona la resolución necesaria en escalas de longitud y tiempo muy grandes.
Utilizando la dispersión de neutrones polarizados, Tobias Weber y su equipo del Instituto Laue Langevin (ILL) de Grenoble (Francia) han demostrado ahora que la propagación de las ondas magnéticas perpendiculares a dichos escirmiones no se produce en línea recta, sino en una trayectoria circular.
Esto se debe a que la dirección de los momentos magnéticos vecinos y, por tanto, la dirección del eje en torno al cual se produce el movimiento de precesión, cambia continuamente de forma perpendicular al tubo del vórtice magnético. Análogamente, cuando el movimiento de precesión se propaga de un momento magnético al siguiente, la dirección de propagación también cambia continuamente. El radio y la dirección de la trayectoria circular de la dirección de propagación de las ondas de espín dependen de la fuerza y la dirección de la inclinación de los momentos magnéticos.
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| Investigadores del Centro Heinz Maier-Leibnitz en el espectrómetro de eco de espín de resonancia RESEDA en la Fuente de Neutrones de Investigación Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) de la Universidad Técnica de Múnich. Crédito: Jan Greune / MCQST |
Cuantización de las órbitas circulares
"Pero aún hay más", afirma Markus Garst, del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), que hace tiempo desarrolló la descripción teórica de las ondas de espín en los skyrmions y su acoplamiento a los neutrones. "Existe una estrecha analogía entre la propagación circular de las ondas de espín perpendiculares a una red de skyrmions y el movimiento de un electrón perpendicular a un campo magnético causado por la fuerza de Lorentz".
A temperaturas muy bajas, cuando las órbitas circulares están cerradas, su energía se cuantiza. Predicho hace casi cien años por el físico ruso Lev Landau, conocido por los electrones, este fenómeno se denomina cuantización de Landau. Por analogía, la influencia del carácter de vórtice de los skyrmions en las ondas de espín puede interpretarse elegantemente como un campo magnético ficticio. En otras palabras, la complicada interacción de las ondas de espín con la estructura del skyrmion es en realidad muy simple y puede describirse como el movimiento de los electrones transversal a un campo magnético real.
Además, la propagación de las ondas de espín perpendiculares a los skyrmions también muestra una cuantificación de las órbitas circulares. La energía característica de la onda de espín también está cuantizada, lo que abre la puerta a aplicaciones completamente nuevas. Además, la órbita circular conlleva un sutil giro, algo similar a la llamada banda de Möbius. Es topológicamente no trivial: la torsión sólo puede eliminarse cortando y volviendo a conectar la tira. Todo ello conduce a un movimiento de onda de espín especialmente estable.
Éxito de la cooperación internacional
"La determinación experimental de las ondas de espín en las redes de skyrmion requirió tanto una combinación de espectrómetros de neutrones líderes en el mundo como un avance masivo del software para interpretar los datos", explica el físico de la TUM Peter Böni.
El equipo de investigación empleó instrumentos del Instituto Laue-Langevin de Francia, la fuente de espalación SINQ del Instituto Paul Scherrer de Suiza, la fuente de neutrones y muones ISIS del Reino Unido y la Fuente de Neutrones de Investigación Heim Maier-Leibnitz (FRM II) de la Universidad Técnica de Múnich. También se realizaron trabajos teóricos y de análisis de datos en el Laboratorio Nacional de Los Álamos de Estados Unidos y en el Instituto Tecnológico de Karlsruhe.
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| La propagación de las ondas de espín perpendiculares a los skyrmions muestra una cuantización de las órbitas circulares. Además, la órbita circular es topológicamente no trivial: lleva una sutil torsión, algo similar a la llamada banda de Möbius. Crédito: Christoph Hohmann / MCQST |
Marc Janoschek, que ahora trabaja en el Instituto Paul Scherrer, subraya: "Es sencillamente genial ver que, tras innumerables experimentos en espectrómetros líderes en el mundo y la aclaración de importantes retos experimentales y teóricos durante mi estancia en Los Álamos, la detección microscópica de la cuantización de Landau en la línea de haz única en el mundo RESEDA, en el FRM II de la TUM en Garching, cierra un círculo que comenzó hace casi quince años con mis primeras mediciones en el Heinz Maier-Leibnitz Zentrum de Garching".
Sin embargo, el movimiento de las ondas de espín en órbitas circulares, que además están cuantizadas, es un avance no sólo desde la perspectiva de la investigación fundamental. Christian Pfleiderer, director del recién fundado Centro de Ingeniería Cuántica de la TUM, subraya: "El movimiento espontáneo de las ondas de espín en órbitas circulares, cuyo radio y dirección surgen de la estructura en forma de vórtice de los skyrmions, abre una nueva perspectiva para la realización de dispositivos funcionales para el procesamiento de la información en las tecnologías cuánticas, como simples acopladores entre qubits en los ordenadores cuánticos."
Crédito: Technical University Munich
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