Cómo ciertos defectos de cristales a nanoescala pueden intensificar drásticamente el ferromagnetismo

Los materiales magnéticos son fundamentales para muchas tecnologías, desde el almacenamiento de datos hasta los dispositivos espintrónicos de próxima generación. Sin embargo, a medida que los circuitos integrados se miniaturizan cada vez más y los tamaños de los componentes magnéticos se acercan a dimensiones nanométricas, las propiedades magnéticas pueden desaparecer. Yasukazu Murakami y sus colegas del Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente y la Universidad de Tohoku en Japón han obtenido información importante sobre el desarrollo de nanoimanes fuertes y estables, gracias al descubrimiento de la magnetización amplificada debido al desorden atómico a nanoescala en aleaciones de hierro y aluminio.

Las aleaciones de hierro y aluminio ricas en hierro son inusuales porque pequeñas deformaciones mecánicas o térmicas pueden aumentar abruptamente las propiedades ferromagnéticas de los materiales. Los investigadores creen que este efecto surge debido a la transición entre una fase químicamente ordenada y una fase químicamente desordenada que aumenta la densidad de los pares atómicos hierro-hierro más cercanos dentro del cristal. La fase ordenada contiene un tipo de defecto plano denominado límites de antifase (APB), con un grado de orden reducido.

Sin embargo, observar los APB es un desafío porque la mayoría de las herramientas experimentales no pueden aislar señales magnéticas que surgen de interfaces estrechas y complejas a nanoescala. Murakami y sus colegas resolvieron este problema utilizando su técnica de holografía electrónica de iluminación dividida recientemente desarrollada. Esta técnica de microscopía electrónica divide la onda electrónica incidente en dos haces: uno que interactúa con la muestra y otro que proporciona una señal de vacío de referencia. La interferencia de los dos haces produce hologramas de electrones con niveles de señal-ruido suficientemente altos como para detectar cambios minúsculos en los campos magnéticos interfaciales.

Los investigadores utilizaron su técnica de holografía electrónica para examinar una aleación tratada térmicamente que consta de hierro 70% y aluminio 30% y observaron los APB como patrones delgados y ondulados de no más de tres nanómetros de ancho. Una inspección más cercana reveló que las densidades de flujo magnético en los APB fueron amplificadas por 60% en comparación con la región de la matriz en la fase ordenada debido a un aumento en la densidad de los pares hierro-hierro más cercanos. Además, las imágenes holográficas capturadas durante el calentamiento de la aleación revelaron que incluso a temperaturas elevadas, el notable orden de espín interfacial se limitaba a las regiones APB (Fig. 1).

Murakami señala que estos hallazgos inesperados, que parecen contradecir los conceptos tradicionales de ordenamiento de espines magnéticos, podrían sentar las bases para la ingeniería de nanoimanes con actividad inducida por APB, guiados por microscopía electrónica de alta resolución. "Las técnicas avanzadas de holografía electrónica utilizadas en este trabajo lograron un análisis de magnetización preciso de la región de la interfaz de tamaño nanométrico", dice. "Los métodos se pueden aplicar ampliamente a problemas importantes en espintrónica, física, química y ciencia de materiales".