Descripción
Una de las ramas más importantes y prometedoras de la investigación sobre las propiedades cuánticas de la materia es la espintrónica, campo dedicado al desarrollo de dispositivos electrónicos de alto rendimiento y bajo consumo capaces de explotar la orientación magnética inducida en un material como resultado de la alineación de espín de sus electrones. Un estudio realizado por un grupo de investigadores del Centro de Condensación Bose-Einstein (BEC ) de Trento y publicado en la revista Nature Physics arroja ahora luz sobre algunos mecanismos cuánticos subyacentes a este comportamiento magnético y su evolución en el tiempo.
Para obtener el resultado, logrado gracias a la colaboración entre el Instituto Nacional de Óptica del Consejo Nacional de Investigación (CNR-Ino), el Departamento de Física de la Universidad de Trento y el Instituto de Física Fundamental y Aplicada de Trento del Instituto Nacional de Física Nuclear (Tifpa-Infn), como parte de la iniciativa Quantum at Trento (Q@TN), los investigadores enfriaron un gas compuesto por átomos de sodio hasta temperaturas cercanas al cero absoluto, colocándolo en un estado cuántico capaz de simular la interfaz entre dos materiales magnéticos, cuyas propiedades se caracterizan por una orientación de espín diferente, una situación análoga a la que se da en los dispositivos de memoria, los discos duros, que se utilizan hoy en día.
El enfriamiento del gas hasta casi el cero absoluto -la temperatura a la que los átomos dejan de comportarse como partículas individuales y forman un único sistema cuántico macroscópico conocido como condensado de Bose-Einstein- permite superar las limitaciones asociadas a la naturaleza de los gases a temperatura ambiente. "Mediante el uso de rayos láser y microondas, los átomos pueden manipularse con extrema precisión y prepararse en un estado cuántico particular que puede imitar la interfaz entre dos materiales magnéticos diferentes. A un lado de la interfaz, los espines están alineados a lo largo de una dirección intrínseca del material, mientras que al otro lado giran en torno a la dirección del campo aplicado", afirman Gabriele Ferrari (Unitn) y Alessio Recati (CNR-Ino).
En los materiales magnéticos estándar, el espín del electrón suele orientarse a lo largo de la dirección del campo magnético aplicado, mientras que en los materiales caracterizados por una fuerte anisotropía magnética, se orienta rápidamente a lo largo de una dirección concreta, incluso oponiéndose a la presencia de un campo magnético externo. Los dos tipos diferentes de materiales pueden colocarse uno al lado del otro, creando una interfaz que representa una clara discontinuidad entre los dos comportamientos diferentes, y el sistema alcanza rápidamente una configuración de equilibrio. En la muestra realizada en el laboratorio de Trentino, en virtud de la naturaleza superfluida intrínseca y de los peculiares enlaces interatómicos que caracterizan a los condensados de Bose-Einstein, la relajación hacia el equilibrio tiene lugar a lo largo de un periodo de tiempo más prolongado, lo que ofrece la oportunidad de observar directamente su evolución en el tiempo.
"Esto ha permitido identificar un nuevo tipo de ondas magnéticas generadas como resultado de la torsión de espín, ondas que se propagan sin fricción dentro de la nube de átomos, destruyendo la interfaz a partir de la cual se generaron", afirman Giacomo Lamporesi y Alessandro Zenesini, del CNR-Ino. Esta observación, fruto de una sinergia entre proyectos financiados por la Unión Europea, el Infn y la Provincia Autónoma de Trento, corona años de investigación del laboratorio del Centro BEC de Trento en el campo de los sistemas fuera del equilibrio y abre el camino a futuras investigaciones sobre la simulación de materiales magnéticos en condiciones nunca antes observadas, útiles para comprender fenómenos de frontera en espintrónica. Gracias a la universalidad de estos mecanismos, que se extienden más allá del mundo de los materiales magnéticos, este resultado representa también un primer paso hacia la simulación de fenómenos que suelen estudiarse en física subnuclear y astrofísica.