Desvelan el rompecabezas físico sobre el momento angular "perdido"
Un equipo de investigación de la Universidad de Constanza, en Alemania, ha conseguido resolver un rompecabezas físico que se mantenía sin explicación desde hace una década.
Se trata del destino del momento angular durante la desmagnetización ultrarrápida de cristales de níquel mediante luz láser, según publican en la revista 'Nature'.
En un sistema físico cerrado, la suma de todos los momentos angulares permanece constante, según una importante ley física de conservación. En este contexto, el momento angular no tiene por qué implicar una rotación corporal "real": Los materiales magnéticos tienen incluso momento angular cuando, vistos desde fuera, están en reposo. Los físicos Albert Einstein y Wander Johannes de Haas pudieron demostrarlo ya en 1915.
Si un material magnetizado de este tipo se bombardea con pulsos cortos de luz láser, pierde su orden magnético con extrema rapidez. En cuestión de femtosegundos -una millonésima de milmillonésima de segundo- se desmagnetiza. El momento angular de los electrones en el material -también llamado espín- disminuye así bruscamente, mucho más rápido de lo que el material puede ponerse en rotación. Sin embargo, según el principio de conservación, el momento angular no puede perderse sin más. La pregunta, entonces, es a dónde se transfiere el momento angular de espín en un tiempo tan extremadamente corto.
La solución al rompecabezas la publican ahora los investigadores alemanes en la revista 'Nature'. En el estudio, el equipo investigó la desmagnetización de cristales de níquel mediante difracción de electrones ultrarrápida, un método de medición muy preciso en términos de tiempo y espacio que puede hacer visible el curso de los cambios estructurales a nivel atómico.
Pudieron demostrar que los electrones del cristal transfieren su momento angular a los átomos de la red cristalina en unos pocos cientos de femtosegundos durante la desmagnetización. Al igual que los pasajeros de un tiovivo, los átomos se ponen en movimiento en pequeños circuitos y equilibran así el momento angular.
Sólo mucho más tarde y con mayor lentitud comienza el efecto de rotación macroscópica que llevan el nombre de Einstein y de Haas, y que puede medirse mecánicamente. Estos descubrimientos muestran nuevas formas de controlar el momento angular con extrema rapidez, lo que abre nuevas posibilidades para mejorar las tecnologías de información magnética o nuevas direcciones de investigación en espintrónica.
Los fenómenos magnéticos se han convertido en una parte indispensable de la tecnología moderna. Desempeñan un papel importante sobre todo en el tratamiento de la información y el almacenamiento de datos.
"La velocidad y la eficacia de las tecnologías actuales suelen estar limitadas por la duración comparativamente larga de los procesos de conmutación magnética", explica el profesor Peter Baum, físico experimental de la Universidad de Constanza y uno de los responsables del estudio. Por ello, resulta aún más interesante para la investigación de materiales un fenómeno sorprendente que puede observarse en el níquel, entre otras cosas: la desmagnetización ultrarrápida provocada por el bombardeo con pulsos láser.
Al igual que el hierro, el níquel pertenece físicamente a los materiales ferromagnéticos. Los imanes permanentes, tal y como los conocemos en nuestra vida cotidiana, se pueden fabricar con estos materiales. La magnetización permanente resulta de una disposición paralela de los momentos magnéticos de las partículas vecinas del material.
"Para ilustrarlo, podemos imaginar los momentos magnéticos como pequeñas flechas que apuntan todas en la misma dirección", explica el profesor Ulrich Nowak, físico teórico de la Universidad de Constanza y también uno de los directores del proyecto. Físicamente, el momento angular o espín de los electrones del material ferromagnético es el principal causante de estas "flechas" y de su dirección.
Mediante el bombardeo con luz láser, se puede destruir la perfecta alineación de los momentos magnéticos en muy poco tiempo. "Para ello basta con un pulso láser de menos de 100 femtosegundos. Tales pulsos láser pertenecen a los eventos más cortos que existen hechos por el hombre", explica Ulrich Nowak. "El pulso láser calienta el material hasta tal punto que las 'flechas' -para quedarse con la imagen- se arremolinan. Al final, una mitad apunta hacia un lado y la otra hacia el otro", añade.
Aquí es donde entra en juego la ley de conservación del momento angular, porque el cambio de dirección de las "flechas" cambia el espín de los electrones y, por tanto, el momento angular. Sin embargo, dado que la suma de todos los momentos angulares en el material debe mantenerse, el espín no puede simplemente desaparecer. Por el contrario, debe ser transferido a otro lugar de alguna forma. Hasta ahora no estaba claro cómo puede ocurrir esto en femtosegundos y sólo existían consideraciones teóricas contradictorias sobre este fenómeno.
Para resolver el rompecabezas físico fue necesaria una estrecha colaboración entre teóricos y experimentadores: Basándose en una hipótesis de los dos profesores de Constanza Peter Baum y Ulrich Nowak, un equipo de físicos teóricos utilizó primero simulaciones por ordenador para elaborar una serie de predicciones sobre los posibles movimientos atómicos durante la desmagnetización ultrarrápida.
A continuación, los físicos experimentales verificaron estas predicciones mediante experimentos con láseres de femtosegundos y pulsos ultracortos de electrones.
"Para nuestro experimento, primero magnetizamos nuestro cristal de níquel en una dirección específica y luego lo desmagnetizamos con un pulso de láser de femtosegundo de forma ultrarrápida", dice Peter Baum, describiendo el montaje básico del experimento. Mientras tanto, los investigadores dirigidos por la primera autora, la doctora Sonja Tauchert, observaron el cristal mediante difracción de electrones ultrarrápida.
"Nuestros experimentos y simulaciones demostraron que el momento angular de los electrones se transfiere localmente a los átomos de la red cristalina en la misma escala de tiempo en la que se pierde el orden magnético del cristal", explica Ulrich Nowak.
Al principio, unos pocos átomos comienzan a moverse en órbitas circulares alrededor de su posición de reposo original. Mediante la interacción con los átomos vecinos, este movimiento y, por tanto, el momento angular, se transfiere muy rápidamente a todos los demás átomos. Finalmente, toda la red cristalina oscila uniformemente en pequeñas órbitas circulares. Los físicos suelen denominar esta vibración colectiva de la red como "fonón". En el caso especial descrito, estos fonones están polarizados circularmente y, por lo tanto, llevan un momento angular.
"Esto no sólo ha resuelto un viejo misterio de la física del estado sólido, sino que también ha proporcionado una prueba experimental de que las vibraciones polarizadas de la red pueden transportar el momento angular, de forma muy eficaz y ultrarrápida --afirma Peter Baum--. El efecto Einstein-de-Haas tiene un paso intermedio en las dimensiones atómicas".
Estos efectos podrían utilizarse para controlar los materiales magnéticos mediante luz láser y crear potencialmente alternativas más eficientes a la electrónica convencional.
"Esperamos que esto nos permita producir componentes mejorados en el futuro. A diferencia de los circuitos electrónicos actuales, éstos funcionarían con transporte de espín en lugar de transporte de carga, lo que sería significativamente más eficiente desde el punto de vista energético --subraya Ulrich Nowak--. Al demostrar que las vibraciones de la red pueden transportar un espín, abrimos una nueva vía, potencialmente prometedora, hacia dispositivos novedosos en espintrónica".
