Investigaciones financiadas en parte por el Ejército de Estados Unidos han identificado propiedades en materiales, que podrían algún día conducir a aplicaciones tales como dispositivos de almacenamiento de datos más potentes que continúan almacenando información incluso después de que un dispositivo ha sido apagado.
Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Cornell y la Universidad de California en Berkeley hizo un descubrimiento, que abre una plétora de sistemas de materiales y fenómenos físicos que ahora pueden ser explorados.
Los científicos observaron lo que se conoce como quiralidad por primera vez en los skyrmions polares, en un material artificial exquisitamente diseñado y sintetizado con propiedades eléctricas reversibles. La quiralidad es cuando dos objetos, como un par de guantes, pueden ser imágenes reflejadas el uno del otro, pero no pueden superponerse el uno al otro. Los skyrmions polares son texturas compuestas de cargas eléctricas opuestas conocidas como dipolos.
Los investigadores siempre habían asumido que los skyrmiones sólo aparecerían en los materiales magnéticos, donde las interacciones especiales entre los espines magnéticos de los electrones cargados estabilizan los patrones de torsión quiral de los skyrmiones. Cuando el equipo descubrió skyrmions en un material eléctrico, se quedaron atónitos, dijeron.
La combinación de los skyrmiones polares y estas propiedades eléctricas pueden permitir el desarrollo de nuevos dispositivos que, son de interés significativo para el Ejército, especialmente usando la quiralidad como un parámetro que puede ser manipulado.
«Ahora que sabemos que los skyrmions polares/eléctricos son quirales, queremos ver si podemos manipularlos eléctricamente», dijo el Dr. Ramamoorthy Ramesh, el co-investigador principal de este proyecto. «Si aplico un campo eléctrico, ¿puedo girar cada uno como un torniquete? ¿Puedo mover cada uno de ellos, uno a la vez, como una ficha en un tablero de ajedrez? Si de alguna manera podemos moverlos, escribirlos y borrarlos para almacenamiento de datos, entonces sería una nueva tecnología increíble».
Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista Nature.
«Este descubrimiento revolucionario se podrá usar en el futuro para desarrollar estructuras de dispositivos que se puedan utilizar para mejorar la lógica/memoria, la detección, las comunicaciones y otras aplicaciones para el Ejército y la industria», dijo el Dr. Pani (Chakrapani) Varanasi, jefe de la División de Ciencia de Materiales de la Oficina de Investigación del Ejército, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del U.S. Army Combat Capabilities Command’s Army Research Laboratory.
Cuando el equipo comenzó el estudio en 2016, se habían propuesto encontrar formas de controlar cómo se mueve el calor a través de los materiales. Ellos fabricaron una estructura cristalina especial llamada superred de capas alternas de titanato de plomo (un material eléctricamente polar, donde un extremo está cargado positivamente y el otro negativamente) y titanato de estroncio (un aislante, o un material que no conduce la corriente eléctrica).
El equipo de investigación comenzó a explorar la síntesis de óxidos artificialmente diseñados y estructurados, con el objetivo de explorar fenómenos emergentes. Los fenómenos emergentes son omnipresentes en la naturaleza – los peces nadando en un cardumen, las aves volando en formación, la aparición de multitudes y turbas son ejemplos de cómo las interacciones de objetos discretos (peces, aves, humanos) pueden conducir a comportamientos colectivos inesperados. Los materiales también pueden mostrar este tipo de comportamiento emergente, especialmente cuando están sometidos a restricciones.
Cuando los científicos tomaron medidas de microscopía electrónica de transmisión por barrido de la superred de titanato de plomo/titanato de estroncio artificialmente diseñada, vieron algo extraño que no tenía nada que ver con el calor: Se habían formado burbujas a lo largo de todo el material. El titanato de plomo es un material ferroeléctrico bien conocido, mientras que el titanato de estroncio, su compuesto hermano, no es ferroeléctrico a temperatura ambiente. Los ferroeléctricos son materiales que tienen una polarización eléctrica espontánea que puede invertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico externo.
Resultó que esas burbujas eran de skyrmions polares.
Mientras se usaba la sofisticada microscopía electrónica de transmisión de barrido en la Fundición Molecular de Berkeley Lab y en el Centro Cornell para la Investigación de Materiales, David Muller, de la Universidad de Cornell, tomó instantáneas atómicas de la quiralidad de los skyrmions a temperatura ambiente en tiempo real. Los investigadores descubrieron que las fuerzas ejercidas sobre la capa de titanato de plomo polar por la capa de titanato de estroncio no polar generaban las burbujas de skyrmion polar en el titanato de plomo.
«Los materiales son como las personas», dijo Ramesh. «Cuando la gente se estresa, responde de manera impredecible. Y eso es lo que hacen los materiales también: En este caso, al rodear al titanato de plomo con titanato de estroncio, el titanato de plomo comienza a volverse loco – y una forma en que se vuelve loco es crear texturas polares como los skyrmions en lugar de estar uniformemente polarizados».
«Este trabajo ha permitido el descubrimiento de un fenómeno fundamentalmente nuevo en las superredes de óxido», dijo Schlom. «Ahora tenemos una plantilla basada en la epitaxia para crear muchos otros universos científicos. Por ejemplo, podemos empezar a considerar el acoplamiento de carga de espín en estas superredes; ya se está trabajando en ello».
Los investigadores también planean estudiar los efectos de aplicar un campo eléctrico en los skyrmions polares.
Fte. Laboratorio del Ejército de EE.UU.
