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Referencia: AlphaGalileo.org, 28 de diciembre de 2015
“Understanding the mechanism for generating electric current without energy consumption at room temperature”
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Un grupo de investigadores de Japón y China han identificado los requisitos para el desarrollo de nuevos tipos de dispositivos eléctricos de extremadamente bajo consumo de energía, a través del estudio de películas delgadas de Cr-doped (Sb, Bi)2Te3. Este estudio se ha publicado en Nature Communications.

Ferromagnetismo mediado por átomos de Sb ó Te
A temperaturas extremadamente bajas, una corriente eléctrica fluye alrededor del borde de una película sin pérdida de energía ni bajo ningún campo magnético externo. Este atractivo fenómeno se debe a las propiedades ferromagnéticas del material; sin embargo, hasta ahora, no estaba claro cómo consigue esta propiedad el material. Por primera vez, los investigadores han revelado el mecanismo por el cual esto ocurre. "Esperamos que este logro dé lugar a la creación de nuevos materiales que operen a temperatura ambiente en el futuro", comentaba Akio Kimura, profesor de la Universidad de Hiroshima y miembro del grupo de investigación.

Su logro se remonta al descubrimiento del efecto Hall cuántico en la década de 1980, en el cual una corriente eléctrica fluye a lo largo de un borde (o interfaz) sin pérdida de energía. Sin embargo, esto requiere de un gran campo magnético externo y de una temperatura extremadamente baja. Esta es la razón de porqué una serie de aplicaciones prácticas no han sido posibles. Los investigadores creían que este problema podría ser superado con nuevos materiales llamados aislantes topológicos, los cuales tienen propiedades ferromagnéticas como los encontrados en Cr-doped (Sb, Bi)2Te3.

Un aislante topológico, predicho en 2005, y observado por primera vez en 2007, no es ni un metal y tampoco un aislante, y tiene propiedades exóticas. Por ejemplo, una corriente eléctrica generada sólo en la superficie o  borde del material, en tanto que no se genera corriente eléctrica en su interior. Parece, entonces, como si solamente la superficie o borde del material tiene propiedades metálicas, mientras que el interior es un aislante.

A temperaturas extremadamente bajas, una película fina hecha de Cr-doped (Sb, Bi)2Te3 muestra un fenómeno peculiar. Así como la misma película es ferromagnética, se genera una corriente eléctrica espontáneamente sin necesidad de campo magnético externo y la corriente eléctrica fluye sólo alrededor del borde de la película, sin pérdida de energía. Sin embargo, hasta ahora era desconocido por qué el Cr-doped (Sb, Bi)2Te3 tenía tales propiedades ferromagnéticas que le permitía generar la corriente eléctrica.

"Por eso hemos elegido este material como objeto de nuestro estudio", dijo el profesor Kimura.

Dado que el Cr es un elemento magnético, un átomo de Cr es equivalente a un imán de tamaño atómico. Las orientaciones N-S de estos imanes atómicos tienden a alinearse en paralelo debido a las interacciones entre los átomos de Cr. Cuando están alineadas en paralelo las orientaciones N-S de los átomos de Cr en el Cr-doped (Sb, Bi)2Te3, el material exhibe ferromagnetismo. Sin embargo, las distancias interatómicas entre los átomos de Cr en el material son, de hecho, demasiado grandes para interactuar suficientemente como para hacer ferromagnético el material.

El grupo descubrió que los átomos de elementos no magnéticos, como los átomos de Sb y Te, median las interacciones magnéticas entre los átomos de Cr y sirven como pegamento para fijar las orientaciones N-S de los átomos de Cr que enfrentan una dirección. Además, el grupo espera que su hallazgo proporcione una manera de aumentar la temperatura crítica para importantes aplicaciones de dispositivos.

Los experimentos de esta investigación se llevaron a cabo principalmente en SPring-8. "No habríamos logrado resultados tan perfectos sin esas instalaciones y su personal. Ellos perseveraron en detectar el extremadamente sutil magnetismo que los átomos con elementos no magnéticos exhiben con una altísima precisión. Estoy muy agradecido por sus esfuerzos", señaló Kimura.

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-Fuente: Hiroshima University.
-Imagen: Ferromagnetismo mediado por átomos de Sb ó Te . Crédito: Universidad de Hiroshima.
-Publicación: Ye, M. et al. Carrier-mediated ferromagnetism in the magnetic topological insulator Cr-doped (Sb,Bi)2Te3. Nat. Commun. 6:8913 doi: 10.1038/ncomms9913 (2015).

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Editor del blog Pedro Donaire

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