Pequeños electroimanes hechos de carbono muy fino

El grafeno, un carbono extremadamente fino, es un verdadero material milagroso. Un equipo de investigación internacional ha añadido otro aspecto a sus diversas propiedades mediante experimentos realizados en el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR): expertos liderados por la Universidad de Duisburg-Essen (UDE) dispararon pulsos cortos de terahercios del tamaño de un micrómetro . Discos de grafeno, que convirtieron brevemente estos pequeños objetos en imanes sorprendentemente poderosos. Este descubrimiento puede resultar útil para el desarrollo de futuros interruptores magnéticos y dispositivos de almacenamiento.

El grafeno está formado por una capa muy fina de una sola capa de átomos de carbono. Pero el material, descubierto en 2004, muestra propiedades notables. Entre ellos se encuentra su capacidad para conducir muy bien la electricidad, y esto es exactamente de lo que se han beneficiado investigadores internacionales de Alemania, Polonia, India y Estados Unidos de América.

Aplicaron miles de discos de grafeno del tamaño de un micrómetro en un chip diminuto utilizando técnicas de semiconductores establecidas. Luego, este chip fue expuesto a un tipo específico de radiación que se encuentra entre el rango de microondas e infrarrojo: pulsos cortos de terahercios.

Para lograr las mejores condiciones posibles, el grupo de trabajo dirigido por la UDE utilizó para el experimento una fuente de luz especial: el láser de electrones libres FELBE del HZDR puede generar pulsos de terahercios extremadamente intensos. El sorprendente resultado: “Pequeños discos de grafeno se convirtieron brevemente en electroimanes”, informa el físico Dr. Stefan Wennerl del HZDR.

«Pudimos generar campos magnéticos en el rango de 0,5 Tesla, que es aproximadamente diez mil veces el campo magnético de la Tierra». Se trataba de impulsos magnéticos cortos, de sólo unos diez picosegundos, o una centésima de milmillonésima de segundo, de longitud.

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Los pulsos de radiación mueven electrones.

Condición para el éxito: los investigadores debían polarizar los destellos de terahercios de una manera específica. La óptica especializada cambió la dirección de oscilación de la radiación para que se moviera, en sentido figurado, en espiral a través del espacio.

Cuando estos destellos polarizados circularmente impactaron en los discos de grafeno del tamaño de un micrómetro, se produjo el efecto decisivo: estimulados por la radiación, los electrones libres en los discos comenzaron a girar, como agua en un balde revuelto con una cuchara de madera. Porque, según las leyes básicas de la física, una corriente que fluye siempre genera un campo magnético y los discos de grafeno se convierten en pequeños electroimanes.

«La idea es realmente muy sencilla», afirma Martin Mittendorf, profesor de la Universidad de Duisburg-Essen. «En retrospectiva, nos sorprende que nadie haya hecho esto antes». También sorprende la eficiencia del proceso: en comparación con los experimentos que irradian nanopartículas de oro con luz, el experimento en HZDR fue un millón de veces más eficiente: un aumento impresionante. El nuevo fenómeno podría utilizarse inicialmente en experimentos científicos en los que se exponen muestras de materiales a pulsos magnéticos cortos pero potentes para investigar con más detalle las propiedades de materiales específicos.

Ventaja: «Con nuestro método, el campo magnético no invierte su polaridad, como ocurre con muchos otros métodos», explica Wennerl. «Por lo tanto, sigue siendo unipolar». En otras palabras, durante los diez picosegundos que continúa el pulso magnético de los discos de grafeno, el polo norte sigue siendo el polo norte y el polo sur sigue siendo el polo sur, una ventaja potencial para una determinada serie de experimentos.

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Sueño con electrónica magnética

A largo plazo, estos pequeños imanes pueden resultar útiles para algunas tecnologías futuras: cuando se generan mediante destellos de radiación muy cortos, los discos de grafeno pueden realizar operaciones de conmutación magnética muy rápidas y precisas. Esto podría ser interesante, por ejemplo, para la tecnología de almacenamiento magnético, pero también para la llamada espintrónica, una forma de electrónica magnética.

Aquí, en lugar de que fluyan cargas eléctricas a través del procesador, se transmiten campos magnéticos débiles en forma de espines electrónicos como pequeños bastones. Es de esperar que esto vuelva a acelerar significativamente los procesos de cambio. Los discos de grafeno podrían utilizarse como electroimanes conmutables para controlar futuros chips electrónicos de espín.

Sin embargo, los expertos tendrán que inventar fuentes de terahercios muy pequeñas y miniaturizadas para este fin, y ciertamente aún queda un largo camino por recorrer. “Para ello no se puede utilizar un láser de electrones totalmente libres, como el que utilizamos en nuestro experimento”, comenta Stefan Wennerl. «Sin embargo, unas fuentes de radiación adecuadas en una mesa de laboratorio deberían ser suficientes para futuros experimentos científicos». Estas fuentes de terahercios más compactas ya se pueden encontrar en algunas instalaciones de investigación.

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