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Los materiales magnéticos se utilizan en una variedad de dispositivos, incluidos motores, sensores, teléfonos celulares y almacenamiento de datos. A medida que la tecnología se hace cada vez más pequeña, los investigadores buscan constantemente nuevas partículas magnéticas.
![Nuevos nanomateriales fabricados con cúmulos magnéticos superatómicos.](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39565_16608148793394893.jpg)
En este estudio, se predijo, diseñó y produjo teóricamente una nueva nanopartícula magnética extraordinariamente pequeña y térmicamente estable. Se dice que la nanopartícula es un pequeño grupo de átomos simétricos similar a un superátomo.
El confinamiento cuántico hace que los estados electrónicos de los grupos de átomos adopten una disposición similar a las capas y ocupaciones electrónicas de un solo átomo en los superátomos.
Esto le da a los superátomos propiedades inusuales. La nueva nanopartícula tiene dos subcapas electrónicas separadas, cada una con 57 y 50 electrones, respectivamente. Este relleno de doble capa crea la estabilidad energética necesaria para la síntesis de superátomos, así como los órdenes magnéticos estables que dan a los superátomos sus propiedades especiales.
El impacto
El nuevo grupo magnético se puede utilizar para crear materiales con propiedades programables. Estos consisten en orden magnético sintonizable y conmutable, propiedades ópticas y conductividad eléctrica. El grupo se puede modificar para aceptar o donar numerosos electrones. Esto hace posibles los sólidos magnéticos de varios componentes.
También es concebible la deposición del grupo sobre semiconductores bidimensionales. Los investigadores ahora pueden modificar los semiconductores para nuevos propósitos cambiando la forma en que interactúan con los electrones.
resumen
Los mecanismos clásicos por los que surgen los momentos de espín magnético en los átomos y los metales ferromagnéticos se describen en la física atómica mediante la regla de Hund y en la física del estado sólido mediante el modelo de Stoner. Los electrones de valencia eluden el emparejamiento en ambos modelos al ocupar orbitales medio llenos, aumentando la energía de intercambio y reduciendo la repulsión de Coulomb.
En este trabajo, investigadores de la Virginia Commonwealth University, la Universidad de Columbia y la Universidad de Harvard describieron un nuevo mecanismo de generación de momentos magnéticos en el que el confinamiento cuántico de electrones en grupos divide sus estructuras electrónicas en diferentes subcapas con diferentes ejes de giro y número de orbitales disponibles.
El cúmulo se estabiliza y se genera un momento magnético por las diferentes poblaciones de espín resultantes del llenado de cada subcapa para lograr una configuración electrónica de capa cerrada.
Este mecanismo, que funciona exclusivamente a nanoescala, es sorprendentemente similar al mecanismo que impulsa los semiconductores magnéticos. Las distorsiones de Jahn-Teller generalmente evitan la generación de estados de alto espín en los cúmulos, pero el método de llenado de subcapa dual produce una gran estabilidad electrónica y un momento magnético significativo.
Dado que la estructura electrónica está inherentemente polarizada por espín y el momento magnético creado al llenar ambas subcapas es resistente a la distorsión y falla estructural, esto es perfecto para usar en electrónica basada en espín.
financiación
El programa de Ciencias Energéticas Básicas de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía financió el trabajo teórico. La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. y el programa de Centros de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias para materiales cuánticos ensamblados con precisión financiaron el trabajo experimental.
Referencia de la revista:
Bista, D. et al. (2022). Superátomo de alto espín estabilizado por relleno de doble subcapa. Revista de la Sociedad Química Estadounidense. doi:10.1021/jacs.2c0073102
Fuente: https://www.energy.gov/
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