Cerdanyola del Vallès, 7 de febrer 2024 Un ASI (de l'anglès artificial spin ice o gel d'espín) és una sèrie de petits imants (nanoimants) que interactuen entre sí i amb camps magnètics externs. Els ASI són una classe de metamaterials (els anomenats materials del futur, com el grafè), dissenyats per tenir propietats electromagnètiques úniques a través de disposicions estructurades, que difereixen significativament del comportament natural dels materials que els componen. Recentment, els ASI s'han posicionat com uns materials prometedors per aplicacions en dispositius, com substrats per computació, per exemple.
Aquests sistemes magnètics tenen el nom de "spin ice" pel gel, ja que els moments magnètics, o espins, s'alineen de manera similar als enllaços d'hidrogen de les molècules d'aigua en forma de gel. Els nanoimants dels ASI normalment es bloquegen (congelen) a temperatura ambient, al no ser suficient l'energia tèrmica per canviar el seu estat magnètic. Degut al fet que hi ha molts imants dins seu, el sistema general pot tenir molts estats diferents que poden preparar-se utilitzant camps magnètics externs.
Tot i això, fins ara els mètodes per fer-ho han sigut bastant toscos. És a dir, canviaven molts imants a la vegada, de manera incontrolada. O si no, els imants s'han de modificar individualment, de forma gens pràctica, usant una punta de sonda d'escaneig.
Ara, l'equip científic de la Universitat Noruega de Ciència i Tecnologia ha ideat un nou mètode anomenat "astroid clocking" que usa una seqüència de camp extern especial que és capaç de canviar exactament només aquells elements que estan al límit de dues regions dins de l'ASI amb diferents estats. Per tant, fa possible controlar amb precisió l'estat de la matriu de l'ASI.
El mètode agafa el nom de l'astroide de Stoner-Wohlfarth, un tipus de corba que marca el camp de commutació crític d'un nanoimant en funció de l'angle del camp magnètic aplicat. Utilitzant aquesta informació, el mètode introduït per l’equip de recerca aprofita les propietats magnètiques dels imants individuals (l'astroide de Stoner-Wohlfarth) i la interacció entre ells (interacció dipolar). Aquest enfocament permet apuntar amb precisió només als imants de la vora límit en un cicle de rellotge determinat. A mesura que la vora frontera avança en cada cicle, es pot abordar tot el conjunt d'imants.
Per a realitzar l'estudi, l'equip noruec va preparar primer les mostres que serien analitzades a l'ALBA. Els seus ASI en concret són un aliatge de ferro i níquel (NiFe) sobre substrat de silici. Un cop a ALBA, es van fer anàlisis de contrast XMCD (dicroisme circular magnètic de raigs X) a la branca PEEM de la línia de llum CIRCE. El seu microscopi resol l'estat magnètic de cada nanoimant individual. A més, els científics van usar un portamostres personalitzat amb un electroimant quadrupol, una característica especial disponible en aquest microscopi, que permet un control total (angle i força) del camp magnètic aplicat en el pla. Això va ser clau per realitzar la seqüència de camp del mètode "astroid clocking". Els usuaris del sincrotró també van desenvolupar el seu propi codi computacional, flatspin, per fer simulacions que van guiar els experiments i van ajudar a comprendre els resultats.
Aquest treball demostra que, aplicant "astroid clocking", els complexos comportaments espacio-temporals dels metamaterials magnètics es tornen fàcilment controlables amb una alta fidelitat. Els nombrosos estats del sistema ASI poden considerar-se unitats d'informació per a noves formes de realitzar càlculs, d'una manera diferent a l'actual, denominada computació de reservori. Un ASI també proporciona un interessant sistema model per estudiar processos fonamentals que d'altra manera seria difícil, com els monopols magnètics. Amb la nova forma de controlar aquests sistemes, tant els dispositius de computació no convencionals com la recerca fonamental se'n beneficien.
Imatges XMCD-PEEM de tots els passos de la sèrie de protocols de rellotge unipolar rellevants. El temps comença en t = 0 i s'incrementa en 1 per cada pas del rellotge (polsos del rellotge indicats amb les etiquetes). Els dominis negres (cap a la dreta) creixen amb l'aplicació del rellotge AB i s'inverteixen ràpidament amb el rellotge ab. Els cercles vermells destaquen la paret de domini vertical curta que acaba el domini negre en la regió central de la instantània t = 20, que exemplifica tant el creixement del domini en allau com una paret de domini encallada. En la instantània t = 21, la part superior de la paret del domini ha progressat en una allau per formar una extensió de dit del domini, mentre que la part inferior de la paret del domini roman com abans.
Referència: Johannes H. Jensen, Anders Strømberg, Ida Breivik, Arthur Penty, Miguel Angel Niño, Muhammad Waqas Khaliq, Michael Foerster, Gunnar Tufte, Erik Folven. Clocked dynamics in artificial spin ice. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-024-45319-7
