El uso de láseres para magnetizar sustancias no magnéticas podría transformar los ordenadores modernos

La computación cuántica posee un enorme potencial. Podría transformar por completo las industrias y cambiar la forma en que entendemos el universo. Al combinar los principios de la mecánica cuántica con la informática, la computación cuántica permite resolver problemas complejos con facilidad al procesar enormes cantidades de datos en paralelo y explorar múltiples soluciones. 

De este modo, los ordenadores cuánticos pueden ayudar en el descubrimiento de fármacos, la modelización climática, la mejora de las capacidades de IA y la resolución de problemas de optimización. También tienen potencial en ciberseguridad al romper los métodos de cifrado existentes y crear sistemas de cifrado cuántico irrompibles.

A lo largo de los años, hemos logrado avances significativos en la computación cuántica, incluyendo la supremacía cuántica, códigos de corrección de errores y ordenadores cuánticos basados en la nube. Sin embargo, este progreso se ha limitado en gran medida a las temperaturas extremadamente frías de los laboratorios, lo que podría estar a punto de cambiar. 

Ahora, investigadores del Instituto Nórdico de Física Teórica (NORDITA), una colaboración entre los cinco países nórdicos, la Universidad de Estocolmo y la Universidad Ca’ Foscari de Venecia, han demostrado con éxito un comportamiento cuántico a temperatura ambiente al utilizar luz láser. Por primera vez, la luz láser pudo hacer que materiales no magnéticos se volvieran magnéticos.

Es de suma importancia porque el magnetismo desempeña un papel clave en el funcionamiento de un ordenador. La memoria del ordenador utiliza electroimanes a pequeña escala magnetizados con voltaje para habilitar los estados binarios de “encendido” o “apagado”. La forma en que los átomos y electrones reaccionan a los campos magnéticos permite a los dispositivos electrónicos leer, escribir y manipular datos.

En este nuevo estudio, los investigadores demostraron cómo exponer un material no magnético a radiación láser de alta frecuencia puede producir un efecto magnético a temperatura ambiente.

Este nuevo avance tiene el potencial de allanar el camino hacia ordenadores más eficientes energéticamente y más rápidos, así como a una transferencia de información y almacenamiento de datos más eficientes. Muestra una promesa increíble para revolucionar la electrónica, particularmente aquellas máquinas construidas con tecnología cuántica, que tienden a operar a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 grados Celsius).

Convertir materiales no magnéticos en magnéticos

En el último estudio, los investigadores utilizaron titanato de estroncio (SrTiO₃), un óxido de estroncio (Sr) altamente reactivo químicamente y titanio (Ti) ligero. A la temperatura habitable para los humanos, posee una estructura perovskita y es conocido por su alta constante dieléctrica.

Este material fue expuesto a la luz de un láser de alta frecuencia, lo que agitó los átomos y los movilizó. Esto generó corrientes eléctricas dentro del titanato de estroncio, haciéndolo magnético.

Hablando sobre la novedad de su método, el autor principal del estudio, Stefano Bonetti, físico de la Universidad de Estocolmo y Ca’ Foscari, dijo que era:

“En el concepto de permitir que la luz mueva átomos y electrones en este material en un movimiento circular, generando corrientes que lo hacen tan magnético como un imán de nevera.”

Convertir material no magnético en magnético no es nada nuevo, sin embargo. Ya se había predicho e investigado previamente.

En 2015, Nature publicó una investigación que descubrió que el cobre y el manganeso, dos metales no magnéticos comunes, pueden convertirse en imanes al combinar películas delgadas de los metales con moléculas orgánicas basadas en carbono. Aunque los resultados se obtuvieron a temperatura ambiente, el magnetismo era débil y desaparecía después de unos días.

Este experimento se basó en una teoría de la década de 1930 del físico teórico Edmund Stoner de la Universidad de Leeds, quien investigó qué hace posible que un elemento sea magnético.

En 2020, un equipo de investigación también pudo modificar materiales óxidos no magnéticos y volverlos magnéticos mediante un crecimiento controlado capa por capa de cada material. Ese mismo año, otro equipo de investigadores utilizó electricidad para activar el magnetismo en la pirita no magnética o sulfuro de hierro. La técnica utilizada en este estudio fue el gating electrolítico, que consistió en tener la pirita en contacto con un electrolito (líquido iónico) y luego aplicar un voltio de electricidad que movió moléculas cargadas positivamente y creó una fuerza magnética medible. En este caso, apagar el voltaje también cerró el magnetismo.

El uso de luz para alterar las propiedades de un material también ha estado ganando una considerable atención científica desde hace tiempo.

El asunto es que los imanes y el campo magnético suelen generarse mediante corrientes circulantes. En 2019, físicos iluminaron discos metálicos no magnéticos con luz polarizada linealmente, generando corrientes eléctricas circulantes y haciendo que el magnetismo surgiera espontáneamente en el disco. En principio, este método puede convertir metales no ferrosos en imanes “a demanda” usando luz láser.

Usar luz para rotar átomos y generar corriente

La magnetización causada por rotación a escala macroscópica se conoce como el efecto Barnett. Bajo este efecto, un material se rota completamente para alinear las rotaciones angulares inherentes de los electrones del material magnético desordenado, generando un campo magnético neto en su interior.

En el nuevo experimento, la rotación a escala atómica se realizó en materiales no magnéticos mediante pulsos láser de polarización circular. Los pulsos giraron los átomos en el material para producir fonones quirales colectivos, que son vibraciones polarizadas circularmente resonantes con la frecuencia del láser.

Para ello, se desarrolló una nueva fuente de luz en el infrarrojo lejano (FIR), que está polarizada circularmente, lo que significa que tiene forma de ‘tirabuzón’. Cuando la luz láser con este tipo de polarización entra en un material, la polarización circular se transfiere a sus átomos haciéndolos girar y produciendo corrientes atómicas. Si la frecuencia de la luz coincide con la vibración del átomo, el efecto se amplifica y, como resultado, se produce un magnetismo bastante grande.

Así, el experimento llevado a cabo por el grupo internacional liderado por Bonetti expuso el material cuántico titanato de estroncio (SrTiO3) a haces láser intensos pero breves de una longitud de onda y polarización peculiares para inducir magnetismo. Los pulsos de 800 nm y duración de picosegundos fueron disparados desde un láser de infrarrojo lejano de 100 µm.

En particular, se midió la rotación Kerr de los pulsos de prueba. El equipo también utilizó diversas temperaturas, que iban de 160 a 360 Kelvin. Esto mostró que la respuesta más alta se alcanzó a 280 K (7 °C). En ese punto, el campo eléctrico de terahercios de los pulsos resonaba con el primer modo fonónico óptico del material.

En este último estudio publicado en Nature, el autor principal Bonetti señaló que era la primera vez que pudieron inducir y observar claramente cómo el material se vuelve magnético a temperatura ambiente.

Este enfoque permitió además al equipo “fabricar materiales magnéticos a partir de muchos aislantes, cuando los imanes típicamente se hacen de metales”, añadió.

Mientras tanto, el grado de magnetización inducido mediante la técnica láser se midió usando un efecto establecido en el que la luz se refleja de manera diferente en un material según su magnetismo.

En su experimento, las mediciones mostraron que el material se había vuelto magnético. Sin embargo, la magnitud de la magnetización inducida basada en los métodos teóricos conocidos para calcular esta cantidad ha sido aproximadamente cuatro órdenes de magnitud mayor de lo esperado. Esta diferencia se atribuyó a simplificaciones excesivas realizadas por los físicos en sus cálculos.

Otro grupo de investigadores utilizó pulsos láser infrarrojos de polarización circular para inducir temporalmente un efecto magnético en un material no magnético.

Científicos de la Universidad Radboud, Países Bajos, en colaboración con la Universidad Nihon, Japón, hicieron esto, pero en lugar de pulsos de banda ancha convencionales, utilizaron pulsos de banda muy estrecha de los láseres de electrones libres FELIX, lo que les permitió dirigir mejor vibraciones de la red específicas en resonancia. Además, usaron la magnetización creada para cambiar la magnetización de una aleación magnética.

Según estos investigadores, la resonancia fonónica podría usarse como una forma nueva y rápida de escribir datos en medios magnéticos. Cambiar la dirección de rotación de la luz polarizada circularmente también permitió al equipo cambiar la dirección de la magnetización.

El creciente uso de la luz láser

El uso de la luz láser está creciendo rápidamente. Esta semana, científicos hicieron un nuevo descubrimiento: Un haz láser concentrado puede cambiar el estado magnético de un material sólido, mostrando un enorme potencial en la memoria de computación ultrarrápida.

Para ello, los científicos prepararon una nueva ecuación “elemental” que describe el vínculo entre la frecuencia y amplitud del campo magnético de la luz y las propiedades de absorción de energía de un material magnético. Según Amir Capua, profesor de física en la Universidad Hebrea de Jerusalén:

“Nos permite reconsiderar por completo el registro magnético óptico y encaminarnos hacia un dispositivo de almacenamiento magnético óptico denso, energéticamente eficiente y rentable que aún no existe.”

Se espera que esta tecnología conduzca a componentes MRAM más rápidos y eficientes en el futuro.

El tamaño del mercado global de tecnología láser es en realidad proyectado a crecer a $29.5 mil millones antes de que termine la década, frente a la valoración actual de $20 mil millones. Estas cifras se deben al amplio potencial del láser en diversas industrias.

Un láser es un dispositivo óptico que produce un haz de luz al estimular la emisión de radiación. Debido a las propiedades únicas de esta luz, como alta intensidad, coherencia, monocromaticidad y direccionalidad, los láseres se utilizan ampliamente en medicina, comunicaciones, ciencia, el ámbito militar y más. Como resultado, se han producido muchas invenciones y experimentos en el campo de los láseres.

Más recientemente, científicos en Rumanía crearon la emisión láser más poderosa del mundo, que es una décima parte de la potencia que el sol emite y que llega a la Tierra. Instalado en un centro cerca de Bucarest, operado por la empresa francesa Thales, se informa que el láser tiene una salida de 10 petavatios (10 cuatrillones de vatios). El pico se logró solo durante un período extremadamente corto, alrededor de 25 femtosegundos, y con un ancho de apenas tres micrómetros.

Los científicos esperan que el láser conduzca a avances revolucionarios en sectores que van desde la salud hasta el espacio. Esta invención puede aplicarse para tratar residuos nucleares y limpiar los desechos espaciales.

En otra investigación reciente, físicos de RIKEN lograron pulsos de luz láser muy cortos con una potencia pico de 6 billones de vatios. Esto equivale a la potencia producida por 6 000 centrales nucleares. Este logro ayuda a desarrollar láseres attosegundo que pueden permitir el estudio de electrones.

El año pasado, Anne L’Huillier, Pierre Agostini y Ferenc Krausz recibieron el Premio Nobel de Física por su investigación sobre pulsos de luz attosegundo (una quintillonésima de segundo).

Estos pulsos láser ultracortos pueden ayudar a iluminar procesos extremadamente rápidos, proporcionando a los científicos una forma poderosa de capturarlos y estudiarlos.

“Al hacer posible capturar el movimiento de los electrones, los láseres attosegundo han hecho una gran contribución a la ciencia básica.”

– Eiji Takahashi del Centro de Fotónica Avanzada de RIKEN

Se espera que se utilicen para diagnosticar condiciones médicas, observar células biológicas y desarrollar nuevos materiales.
Haga clic aquí para aprender cómo los láseres jugarán un papel fundamental en las próximas décadas.

Potencial futuro del magnetismo inducido por láser

Financiado por una ERC Synergy Grant y la Fundación Knut y Alice Wallenberg, el estudio que convirtió materiales no magnéticos en magnéticos a temperatura ambiente señaló que en física, el orden colectivo de la materia es uno de los fenómenos más básicos y fascinantes y que se ha introducido la multiferroicidad dinámica para describir la aparición de magnetización.

“En términos simples, el movimiento rotatorio coherente de los iones en un cristal induce un momento magnético a lo largo del eje de rotación,” se afirmó.

Debido a este mismo mecanismo, el equipo pudo demostrar magnetización en el perovskita paraeléctrico arquetípico SrTiO3. Estos resultados ya se han reproducido en varios otros laboratorios.

Sin embargo, el magnetismo del material solo se mantuvo durante aproximadamente un billonésimo de segundo. No ha sido suficiente tiempo para encontrar su aplicación en la memoria de los ordenadores.

Dicho esto, es un gran punto de partida donde los científicos finalmente han podido llevar la teoría a la práctica. Sin duda, tiene importantes aplicaciones tecnológicas potenciales que se materializarán con el tiempo y más investigación.

Los hallazgos del experimento, según la investigación, muestran una nueva vía para el control del magnetismo. Esto podría utilizarse para interruptores magnéticos extremadamente rápidos, por ejemplo, mediante el control coherente de vibraciones de la red usando luz.

Además, aunque este estudio comenzó con titanato de estroncio, en el futuro se pueden explorar otros materiales más complejos que podrían mantener su magnetismo durante períodos más largos. A partir de aquí, el único camino es avanzar con más descubrimientos emocionantes que abrirán la puerta a su uso en dispositivos informáticos.

Como declaró el autor del estudio Alexander Balatsky, profesor de física en NORDITA: 

“Esto puede usarse para una transferencia de información más rápida y un almacenamiento de datos considerablemente mejor, y para ordenadores que sean significativamente más rápidos y más eficientes energéticamente.”

Así que, aunque los resultados son prometedores y pueden conducir a grandes mejoras en la electrónica y la computación basadas en la magnetización, se necesita más trabajo.

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