Investigadors del Departament de Física i de l’Institut Universitari de Materials de la Universitat d’Alacant (UA) i del Laboratori de Baixes Temperatures i Alts Camps Magnètics de la Universitat Autònoma de Madrid (UAM) han aconseguit mesurar per primera vegada la conductància elèctrica de contactes atòmics d’or i plata sotmesos a camps magnètics extrems, de fins a vint tesles, una intensitat que equival a 400.000 vegades el camp magnètic de la Terra.

L’equip ha observat que, quan s’hi apliquen aquests camps, la conductància dels contactes d’or disminueix al voltant d’un 15 %, un resultat inesperat en metalls nobles com l’or (Au) i la plata (Ag). A més, han detectat modificacions en el procés de formació del contacte atòmic, especialment acusades en la plata. Aquestes troballes contradiuen les prediccions teòriques prèvies, que anticipaven una dependència magnètica pràcticament inexistent en Au i Ag purs.

El descobriment, publicat en Physical Review Research, aporta una nova peça al coneixement de la física del transport electrònic a escala atòmica. Aconseguir que un conductor format per un únic canal atòmic, com passa en aquests metalls, responga de manera apreciable a un camp magnètic és extremadament difícil. Els resultats suggereixen que és possible dissenyar materials funcionals combinant metalls nobles amb sistemes magnèticament actius.

Entre les aplicacions potencials hi ha sensors magnètics ultrasensibles a escala nanomètrica i dispositius d’espintrònica més eficients. «Més enllà d’exemples concrets com són les memòries MRAM, que són ràpides, duradores i poden retenir dades sense energia, l’espintrònica és l’electrònica del futur. Com que es basa en l’espín dels electrons, una propietat altament sensible als camps magnètics, aquesta tecnologia permet desenvolupar tecnologies molt més avançades i versàtils», explica l’investigador i expert en nanoelectrónica de la UA Carlos Sabater.

A mitjà termini, aquests avanços podrien tenir impacte en tecnologies que van des de la computació quàntica fins a la detecció biomèdica de camps magnètics febles.

Experiments

Els investigadors, liderats per Carlos Sabater i Andrés Martínez de la UA, i Hermann Suderow, Isabel Guillamón i Juan José Palacios de la UAM, han realitzat experiments amb un microscopi d’efecte túnel criogènic acoblat a un imant superconductor de vint tesles. Aquesta combinació els ha permès registrar mesures de conductància en condicions extremes mai abans obtingudes en contactes atòmics.

En concret, l’equip va generar contactes atòmics entre una punta metàl·lica esmolada i una mostra d’or o plata mitjançant indentaciones mecàniques repetides a 4,2 kelvin (-269 °C). Per a cada valor de camp magnètic van registrar desenes de milers de corbes de conductància en funció de la distància, la qual cosa va permetre construir histogrames estadístics d’alta precisió.

Els mesuraments experimentals es van complementar amb càlculs teòrics avançats. Així, els models van revelar el mecanisme subjacent: petites molècules residuals d’oxigen adherides prop del contacte generen un corrent polaritzat en espín quan s’hi aplica el camp magnètic. Aquest corrent és responsable de la reducció observada en la conductància.

«La sinergia amb la UAM ha sigut perfecta», expliquen des de la UA. «Encara que en els nostres laboratoris també som experts a dur a terme aquesta mena de mesuraments experimentals amb nanocontactes, en aquesta ocasió la nostra gran aportació ha sigut posar el model sobre la taula. Ens hem encarregat de tota la part teòrica i els càlculs computacionals necessaris per a desxifrar què passava realment amb aquests àtoms sota camps magnètics tan extrems», afegeix Sabater.

Els resultats d’aquest treball obrin una nova línia d’investigació: l’enginyeria de conductors atòmics amb propietats magnètiques ajustables sense recórrer a materials ferromagnètics com ara ferro, cobalt o níquel. Aquesta estratègia podria ampliar el repertori de la nanoelectrònica i l’espintrònica del futur.