Los avances en materia científica, aplicada a la tecnología, están alcanzando nuevas cotas casi cada día. Recientemente, un equipo de investigadores creó LightGen, el primer chip totalmente óptico dedicado a inteligencia artificial.

Ahora, un nuevo y sorprendente avance aparece en el horizonte. Investigadores de la Universidad de Basilea y la ETH de Zúrich han conseguido cambiar la polaridad de un ferroimán especial usando el haz de un rayo láser.

Este descubrimiento podría usarse, dicen los investigadores en un artículo publicado en la revista Nature, para crear circuitos electrónicos adaptables con luz, lo que permitiría tener sensores de nueva generación, capaces de medir campos electromagnéticos extremadamente débiles en un chip diminuto.

Sus aplicaciones potenciales son múltiples, desde dispositivos médicos más precisos hasta una electrónica reconfigurable, donde un mismo chip pueda cambiar de función aplicando el láser. También podría servir para desarrollar comunicaciones más robustas y futuros dispositivos cuánticos.

La posibilidad de guiar señales de forma muy estable y de miniaturizar interferómetros y otros instrumentos científicos permitiría redes de datos más eficientes y equipos de laboratorio en formato mucho más compacto y asequible.

Los ferroimanes y los espines

Los ferroimanes son materiales que presentan efectos magnéticos potentes gracias a un fuerte magnetismo propio. Por ejemplo, los materiales ferromagnéticos más conocidos son el níquel, el cobalto o el hierro.

Dentro de estos imanes nos encontramos con los conocidos como espines, una propiedad intrínseca de las partículas elementales por la cual tienen un momento angular intrínseco de valor fijo.

Estos fenómenos, exclusivamente cuánticos, son una propiedad fundamental e intrínseca de los electrones y de otras muchas partículas. Cada uno de estos espines crea un diminuto campo magnético.

Cada electrón tiene un momento magnético debido a su espín, y en los ferroimanes, muchos electrones tienen espines alineados, que suman sus campos magnéticos. De ahí que el material se vuelva magnético.

Por ejemplo, para que un imán de nevera se adhiera a la puerta, los espines deben alinearse en la misma dirección, en un proceso de interacción entre espines o interacción del intercambio.

Sin embargo, para que se produzca la adhesión, esta interacción debe ser más fuerte que el movimiento térmico desordenado presente en el material ferromagnético; si esta temperatura está por debajo de un valor crítico, se vuelve ferromagnético.

De esta manera, para modificar la polaridad de un ferroimán es necesario calentarlo por encima de su temperatura crítica. Tras ello, los espines de los electrones pueden reorientarse.

Al enfriarse, el campo magnético del ferroimán puede apuntar en una dirección diferente. Lo que han conseguido los investigadores es realizar esta reorientación usando únicamente un pulso láser de luz.

Modificando la polaridad

Los equipos de la Universidad de Basilea y la ETH de Zúrich afirman haber logrado realizar esta modificación en la polaridad sin necesidad de calentamiento, modificando varios aspectos de la física moderna.

Ataç Imamoğlu, profesor de la ETH que ha liderado el proyecto junto a Tomasz Smoleński en la Universidad de Basilea, relata la forma en la que han unido interacciones fuertes entre electrones, recurriendo al control dinámico y la topología.

Para este experimento, usaron un material especial compuesto por dos capas finísimas de ditelururo de molibdeno, un semiconductor orgánico, ligeramente torcidas entre sí.

En dichos materiales se pueden formar los llamados estados topológicos, los cuales se pueden caracterizar en función de su apariencia. Estos estados están definidos de forma inequívoca y permanente.

Una fase topológica es un estado de la materia que no se define por un orden convencional, sino por propiedades del sistema que permanecen constantes, incluso si se exponen a deformaciones.

Los propios investigadores lo relatan con un ejemplo; una bola y una rosquilla, la primera sin agujero y la segunda con agujero. La primera no se puede transformar en la segunda con una deformación.

Imamoğlu y su compañero Smoleński pudieron conducir experimentos en los que los electrones pudieron sintonizarse entre estados topológicos aislantes y estados metálicos conductores.

Estas interacciones consiguen que los espines de los electrones en ambos estados se alineen en paralelo, lo que convierte al material experimental en un ferroimán o en un material ferromagnético.

Oliver Huber, estudiante de doctorado de la ETH que llevó a cabo los experimentos, aclaró que el resultado de estos avances es el uso de un pulso láser para cambiar la orientación colectiva de los espines.

Esto ya se había conseguido hace unos pocos años con electrones individuales, pero ahora se ha logrado este cambio de polaridad en todo el ferroimán, en un procedimiento conocido como conmutación.

La conmutación, añadió Smoleński, pudo ser permanente. "Además, la topología influye en la dinámica de la conmutación", aclaró el experto en el comunicado difundido en EurekaAlert.

La idea es que, con este sistema, el pulso láser usado en los experimentos también se pueda usar para dibujar nuevas líneas límite dentro de las cuales se encuentre el estado ferromagnético topológico.

Esto se puede repetir de forma continuada, lo que permite un control dinámico de las propiedades topológicas y ferromagnéticas del material.

Para comprobar que el ferroimán de apenas unos micrómetros pudo cambiar su polaridad, los investigadores midieron la reflexión de un segundo rayo láser que reveló la orientación de los espines de los electrones.

Smoleński explica que el enfoque logrado con este resultado podría usarse para crear interferómetros diminutos, con los que se podrían medir campos electromagnéticos muy pequeños.

La posibilidad de escribir caminos “a medida” para estados cuánticos en un chip abriría la puerta a nuevos diseños de procesadores cuánticos, más compactos y estables, pensados no solo para su uso por parte de grandes laboratorios, sino para empresas o centros médicos.