Avances en materiales magnéticos: El papel del iridio en aleaciones de Fe-Co
Los materiales magnéticos se han convertido en elementos indispensables en diversas tecnologías que sustentan nuestra sociedad moderna, como dispositivos de almacenamiento de datos, motores eléctricos y sensores magnéticos. Dentro de esta categoría, los ferromagnetos de alta magnetización son especialmente importantes para el desarrollo de tecnologías de espintrónica de próxima generación, así como para sensores y dispositivos de almacenamiento de datos de alta densidad. Entre estos materiales, la aleación de hierro y cobalto (Fe-Co) es ampliamente utilizada debido a sus robustas propiedades magnéticas. Sin embargo, existe un límite en cuanto a la mejora de su rendimiento, lo que plantea la necesidad de un enfoque innovador.
Investigaciones anteriores han mostrado que las películas epitaxiales compuestas por aleaciones de Fe-Co dopadas con elementos más pesados presentan una magnetización notablemente alta. Recientemente, la integración de técnicas computacionales, como el aprendizaje automático junto con cálculos ab initio, ha acelerado de manera significativa la búsqueda de nuevas composiciones de materiales. La aleación de Fe-Co dopada con iridio (Fe-Co-Ir) es uno de estos materiales, identificada a través del aprendizaje automático, que ha demostrado poseer momentos magnéticos excepcionales, superando incluso a las aleaciones convencionales de Fe-Co.
No obstante, identificar la fuente de estas propiedades magnéticas mejoradas ha sido un desafío considerable. En particular, el efecto del dopaje con iridio sobre las propiedades magnéticas de las aleaciones de Fe-Co sigue siendo poco comprendido. Para abordar este reto, un equipo de investigación liderado por el profesor asistente Takahiro Yamazaki del Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad de Ciencia de Tokio (TUS) implementó un enfoque novedoso, utilizando la técnica de dicroísmo magnético circular por rayos X (XMCD) en películas delgadas monocrystalinas con gradiente composicional.
El estudio fue publicado en la revista Physical Review Materials. El profesor asistente Yamazaki explica que, a diferencia de estudios previos que utilizaron películas delgadas policristalinas, su equipo utilizó películas delgadas de Fe-Co-Ir con gradiente composicional, ofreciendo un entorno más controlado para investigar los mecanismos detrás de las propiedades magnéticas mejoradas. Además, utilizando la instalación de radiación sincrotrón más grande del mundo, SPring-8, realizaron mediciones de XMCD para examinar sistemáticamente sus propiedades magnéticas.
El equipo, que también incluyó a investigadores del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS) y otras instituciones, fabricó inicialmente películas delgadas con un gradiente composicional en el que la cantidad de dopaje de iridio aumentaba linealmente de un extremo, que consistía en aleación de Fe-Co pura, al otro extremo, que contenía un 11% en átomos de iridio. Posteriormente, llevaron a cabo mediciones de XMCD en estas películas, utilizando tanto rayos X suaves como duros. Los rayos X suaves son más adecuados para estudiar metales ligeros como el hierro y el cobalto, mientras que los rayos X duros son más eficaces para estudiar metales pesados como el iridio, lo que permitió obtener una comprensión más detallada de la contribución de cada elemento al comportamiento magnético del material.
Los resultados revelaron mejoras significativas en los momentos magnéticos tanto del hierro como del iridio debido al dopaje con iridio, con un aumento del 1.44 veces en el momento magnético del hierro y del 1.54 veces en el del iridio al alcanzar una concentración del 11% de iridio en comparación con una concentración del 1%. Para validar y entender mejor el origen de estas mejoras, el equipo realizó cálculos ab initio.
El análisis teórico respaldó los hallazgos experimentales y demostró que la adición de iridio conduce a una mayor localización de electrones y a un acoplamiento espín-órbita más fuerte entre los electrones 3d del hierro y el cobalto y los electrones 5d del iridio. Esta interacción resulta en momentos magnéticos mejorados, principalmente a través de contribuciones aumentadas de momentos magnéticos orbitales.
Las conclusiones de este estudio resaltan el papel crítico del iridio en la mejora de las propiedades magnéticas de las aleaciones de Fe-Co-Ir. La metodología de evaluación de materiales de alta eficiencia y el análisis teórico desarrollado por el equipo servirán como base para diseñar materiales ferromagnéticos de alto rendimiento. Esto podría dar lugar al desarrollo de motores eléctricos altamente eficientes y dispositivos de almacenamiento de datos de alta densidad de próxima generación, contribuyendo así a reducir el impacto ambiental y avanzar hacia una sociedad más sostenible.
La aleación de Fe-Co con iridio podría facilitar el diseño de dispositivos electrónicos eficientes que podrían ser comercialmente viables tras las fases de prueba necesarias. Esta aleación tiene un potencial prometedor en la implementación de dispositivos de almacenamiento de datos rentables.
