Investigadores de la Universidad de la Laguna, junto con sus colaboradores de la Universidad Tecnológica de Delft (Delft-Holanda) y la Universidad Federico Santa María (Valparaíso-Chile), han logrado controlar de forma independiente dos tipos de magnetismo en un solo átomo. Este resultado podría ser relevante para nuevas formas superdensas de almacenar información. Este nuevo descubrimiento abre la puerta al almacenamiento de dos bits de información en un único átomo y ha sido publicado recientemente en Nature Quantum Materials.
El magnetismo atómico es el resultado del movimiento de los electrones que giran alrededor del núcleo. Estas rotaciones pueden dividirse en dos categorías. Una forma simple de entenderlo es usando la analogía con el movimiento de la Tierra en torno al sol, tal y como explican los investigadores responsables del trabajo. “Por un lado, la Tierra orbita alrededor del Sol, lo que lleva un año. Por otro, la Tierra también gira alrededor de su propio eje, lo que lleva al ciclo día/noche», explica Fernando Delgado, investigador del Programa Viera y Clavijo de la Universidad de La Laguna.
“Lo mismo ocurre con un electrón que gira alrededor de un átomo: la rotación alrededor del núcleo del átomo da lugar al llamado momento angular orbital, mientras que la rotación del electrón alrededor de su propio eje origina el momento angular de espín o, simplemente, el espín”. Cada uno de estos movimientos podría, en principio, utilizarse para almacenar información. “La rotación orbital, por ejemplo, puede ser en sentido horario o antihorario”, prosigue el investigador. Estas dos direcciones de rotación pueden representar así el «0» y el «1» de un bit.
El espín también tiene dos direcciones de rotación posibles. Así que, en teoría, podríamos almacenar hasta dos bits de información en un solo átomo. «En la práctica, esto es casi imposible», afirma Delgado. «Si inviertes la dirección orbital, la dirección de espín casi siempre cambia con ella, y al contario», ya que dichos movimientos no son totalmente independientes.
En este trabajo llevado a cabo en colaboración con investigadores holandeses y chilenos, se ha conseguido invertir la dirección del movimiento orbital sin afectar a la dirección del espín. Esto ha sido posible gracias a un fenómeno predicho por Albert Einstein y Wander Johannes de Haas. Según este efecto ‘Einstein-de Haas’, la inversión de la dirección orbital puede ser compensada por una rotación ínfima del entorno, en este caso la pieza de metal donde se encuentra el átomo. Este efecto no se había observado anteriormente en la escala atómica, y ni siquiera se había planteado que se pudiese usar para manipular el magnetismo atómico.
La separación perfecta
Los investigadores utilizaron un microscopio de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés), en el que una aguja muy afilada escanea los átomos e incluso puede moverlos a voluntad. En un sólido o en una superficie, un átomo magnético se encuentra en contacto con varios átomos vecinos. Y es precisamente esta interacción con los vecinos la que interrumpe el movimiento orbital, suprimiendo el momento orbital.
Posicionando un átomo de hierro sobre un sustrato delgado de nitruro de cobre depositado sobre un metal, y colocando el átomo de hierro justo encima de un solo átomo de nitrógeno del sustrato, el equipo logró la separación total entre el espín y la rotación orbital. Al hacerlo, crearon una geometría ideal que raramente ocurre de forma espontánea en la naturaleza.
La capacidad de almacenar bits de información en átomos individuales aumentaría la capacidad de almacenamiento existente en muchos miles de veces. Sin embargo, los investigadores advierten que el almacenamiento de datos a la escala atómica está todavía muy lejos. «El resultado principal es que hemos dado otro paso adelante en nuestra capacidad de controlar los átomos e incluso los electrones que orbitan alrededor de ellos. Es un objetivo maravilloso en sí mismo», concluyen
