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Óxido de titanio dopado con cobalto produce propiedades magnéticas a temperatura ambiente a través de un nuevo mecanismo.

La espintrónica – también conocida como magnetoelectrónica – podrá sustituir la electrónica como medio de elección para la memoria de ordenadores. El descubrimiento de un mecanismo que produce  imanes permanentes a temperatura ambiente, sin ningún tipo de influencia externa, pronto podría mejorar el diseño de dispositivos de espintrónica. Takumi Ohtsuki del RIKEN SPring-8 Center, Harima y sus colegas en Japón, hicieron el descubrimiento en una clase de material llamado óxido ferromagnético diluido.

El ferromagnetismo es el mecanismo responsable de algunos de los materiales magnéticos sin ninguna influencia externa. En un material ferromagnético, los ejes sobre y la mayoría de los electrones de espín son paralelos, pero la causa subyacente de este alineamiento no siempre está clara. Un óxidoferromagnético diluido es un material de óxido dopado con una pequeña cantidad de un metal de transición, lo que representa un matrimonio entre los materiales magnéticos y los utilizados en la electrónica. Crucial, y a diferencia de los semiconductores ferromagnéticos, diluir óxidos ferromagnéticos hace que permanezcan en un estado ferromagnético a temperatura ambiente.

Algunos materiales tienen componentes ferromagnéticos, pero no exhiben magnetismo. Sin embargo, algunos ferromagnetos están compuestos por sustancias que, por sí solos, son no magnéticos. Una comprensión completa de este enigma es vital para el diseño eficiente de los dispositivos de espintrónica y requiere la determinación de si son los electrones, u otro tipo de portador de la carga en el material, los que dan lugar al ferromagnetismo. El proceso para resolver esta cuestión en diluir óxidos ferromagnéticos, Ohtsuki y sus compañeros de trabajo examinaron un ejemplo: cobalto dopado con dióxido de titanio (Co: _TiO2). «Varios mecanismos se han sugerido para el origen del ferromagnetismo en Co: _TiO2, pero ninguna conclusión firme se ha establecido», dice Ohtsuki.

Los investigadores utilizaron una técnica de caracterización de materiales de gran alcance conocida como espectroscopia de fotoemisión de rayos X. Un haz de rayos X, en este caso de un sincrotrón, excita los electrones ede la muestra de Co: TiO2. «El número de electrones excitados frente a su energía cinética proporcionó información detallada sobre la composición atómica y estados electrónicos del material», indicó Ohtsuki.

Ohtsuki y su equipo establecieron que ferromagnetismo está mediada por los electrones en la tercera capa, denominados electrones 3D,  de los iones de titanio, un mecanismo que nunca se había considerado como una posibilidad por los científicos. Los electrones 3D del titanio se alinean con el espín de los átomos de cobalto a medida que viajan a través del material.

El descubrimiento del equipo aumenta la probabilidad de que  los óxidos ferromagnéticos diluidos se utilicen como dispositivos de espintrónica. «Nuestros resultados han demostrado que el magnetismo y la conductividad se correlacionan en Co: _TiO2 en películas delgadas», explica Ohtsuki. «Esto podría hacerlos aplicables a las memorias de acceso aleatorio magnética (MRAM) o transistores de espín.»

La figura representa una fina película de Co: TiO2 en la que el ferromagnetismo surge porque los electrones 3d del titanio (verde) se despalzan por todo el material y proceden a alinear el espín de los átomos de cobalto (color rosa) para que todos apunten en la misma dirección. Las esferas azules y marrones corresponden a los átomos de titanio y oxígeno, respectivamente. Copyright: 2011 Ohtsuki Takumi

Más información: Ohtsuki, T., Chainani, A., Eguchi, R., Matsunami, M., Takata, Y., Taguchi, M., Nishino, Y., Tamasaku, K., Yabashi, M., Ishikawa, T. et al. El papel de Ti 3d compañías en la mediación de la interacción magnética de Co:. Películas delgadas de TiO2 física Review Letters 106, 047602 (2011). Anatasa http://prl.aps.org … 6/i4/e047602