Se lanza una nueva dimensión en magnetismo y superconductividad

Vórtices de Abrikosov en un superconductor y configuraciones de magnetización en un (anti) ferromagnet sobre una tira de Möbius (representación artística). Crédito: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Alemania

Un equipo internacional de científicos de Austria y Alemania ha lanzado un nuevo paradigma en magnetismo y superconductividad, poniendo los efectos de curvatura, topología y geometría 3D en el centro de atención de la investigación de la próxima década. Los resultados se publican en Materiales avanzados.

Tradicionalmente, el campo principal en el que la curvatura juega un papel fundamental es la teoría de la relatividad general. En los últimos años, sin embargo, el impacto de la geometría curvilínea ha penetrado en varias disciplinas, que van desde la física del estado sólido hasta la física de la materia blanda, la química y la biología; y dando lugar a una plétora de dominios emergentes, tales como biología celular curvilínea, semiconductores, superfluidez, óptica, plasmónica y materiales 2D de van der Waals. En el magnetismo moderno, la superconductividad y la espintrónica, la extensión de las nanoestructuras a la tercera dimensión se ha convertido en una importante vía de investigación debido a los fenómenos inducidos por la geometría, la curvatura y la topología. Este enfoque proporciona un medio para mejorar las funcionalidades convencionales y lanzar nuevas funcionalidades adaptando la curvatura y la forma 3D.

“En los últimos años han aparecido trabajos experimentales y teóricos que tratan sobre nanoarquitecturas superconductoras y (anti) ferromagnéticas curvilíneas y tridimensionales. Sin embargo, estos estudios tienen su origen en diferentes comunidades científicas, lo que resulta en la falta de transferencia de conocimiento entre áreas de la física de la materia condensada como el magnetismo y la superconductividad “, dice Oleksandr Dobrovolskiy, director del Laboratorio SuperSpin de la Universidad de Viena. “En nuestro grupo, lideramos proyectos en ambas áreas temáticas y el objetivo de nuestro artículo en perspectiva era construir un ‘puente’ entre las comunidades de magnetismo y superconductividad, llamando la atención sobre los aspectos conceptuales de cómo la extensión de las estructuras a la tercera dimensión y la geometría curvilínea puede modificar los existentes y ayudar a lanzar nuevas funcionalidades en los sistemas de estado sólido “.

“En los materiales magnéticos, la simetría rota geométricamente proporciona una nueva caja de herramientas para adaptar la anisotropía inducida por la curvatura y las respuestas quirales”, dice Denys Makarov, jefe del departamento de Materiales y Sistemas Inteligentes en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. “La posibilidad de ajustar las respuestas magnéticas mediante el diseño de la geometría de un cable o una película fina magnética es una de las principales ventajas del magnetismo curvilíneo, que tiene un gran impacto en la física, la ciencia de los materiales y la tecnología. En la actualidad, bajo su paraguas, el El campo fundamental del magnetismo curvilíneo incluye ferro y antiferromagnetismo curvilíneo, magnónica curvilínea y espintrónica curvilínea “.

“La diferencia clave en el impacto de la geometría curvilínea en los superconductores en comparación con los (anti) ferromagnetos radica en la naturaleza subyacente del parámetro de orden”, amplía Oleksandr Dobrovolskiy. “Es decir, a diferencia de los materiales magnéticos, para los cuales los funcionales de energía contienen derivadas espaciales de campos vectoriales, la descripción de los superconductores también se basa en el análisis de los funcionales de energía que contienen derivados espaciales de campos escalares. Mientras que en el magnetismo el parámetro de orden es la magnetización (vector ), para un estado superconductor el valor absoluto del parámetro de orden tiene un significado físico de la brecha de energía superconductora (escalar). En el futuro, la extensión de estructuras híbridas (anti) ferromagnet / superconductor a la tercera dimensión permitirá las investigaciones de la interacción entre los efectos de curvatura en sistemas que poseen parámetros vectoriales y de orden escalar. Sin embargo, este progreso se basa en gran medida en el desarrollo de métodos experimentales y teóricos y en la mejora de las capacidades de cálculo “.

Desafíos para las investigaciones de nanoimanes y superconductores curvilíneos y 3D

Generalmente, se esperan efectos de curvatura y torsión cuando los tamaños o características del sistema se vuelven comparables con las respectivas escalas de longitud. Entre las diversas técnicas de nanofabricación, la escritura de nanoarquitecturas 3D de formas complejas mediante haces de partículas enfocadas ha exhibido el progreso más significativo en los últimos años, convirtiendo estos métodos en las técnicas de elección para estudios básicos y orientados a aplicaciones en nanomagnetismo y superconductividad 3D. . Sin embargo, aproximarse a las escalas de longitud relevantes en el rango bajo de nm (longitud de intercambio en ferromagnetos y longitud de coherencia superconductora en superconductores nanoimpresos) aún está fuera del alcance de las capacidades experimentales actuales. Al mismo tiempo, están empezando a estar disponibles técnicas sofisticadas para la caracterización de configuraciones magnéticas y su dinámica en nanoestructuras de formas complejas, incluida la nanotomografía vectorial de rayos X y la obtención de imágenes en 3D mediante laminografía de rayos X blandos. Estudios similares de superconductores son más delicados, ya que requieren condiciones criogénicas, lo que apela al desarrollo de tales técnicas en los próximos años.



Source: Phys.org – latest science and technology news stories by phys.org.

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