Una orquesta magnética hecha de precipitados: cómo las nanopartículas de Fe6GeTe2 marcan una temperatura de Curie récord
Imaginen una orquesta en la que violines y trompetas tocan partituras distintas, pero juntos producen un sonido potente. En el cristal del imán laminar Fe5GeTe2 dopado con níquel, el papel de esos instrumentos lo asumen unas regiones diminutas de otra fase: los nanoprecipitados de Fe6GeTe2. Son ellos, y no el níquel en sí, los responsables de que el material siga siendo magnético a una temperatura de 478 kelvin, es decir, a 205 grados Celsius. Es la temperatura de Curie más alta entre los ferroimanes de van der Waals masivos.
Durante mucho tiempo no quedó claro por qué la adición de níquel, que por sí solo no es magnético en este sistema, eleva la temperatura de Curie en más de 170 kelvin, aunque la magnetización total disminuye. Los autores examinaron el cristal desde distintos ángulos: lo atravesaron con un haz de electrones en un microscopio electrónico de transmisión de barrido, midieron la difracción de rayos X en un sincrotrón, obtuvieron mapas de magnetización con una resolución de unos 10 nanómetros e incluso se asomaron a la estructura de espín de las bandas electrónicas mediante fotoemisión resuelta en espín. Resultó que, en los dominios ricos en hierro, todas las posiciones del hierro, incluida la Fe(1), normalmente semivacía, están ocupadas casi por completo. Esa es la fase Fe6GeTe2, que en estado puro se encuentra al borde de la estabilidad y hasta ahora solo se había cultivado por vía epitaxial, con una temperatura de Curie un 25% menor.
¿Y por qué la fase Fe6GeTe2 se segrega de forma espontánea en lugar de formar una aleación uniforme? Los cálculos de primeros principios mostraron que sustituir la posición Fe(1) por níquel es energéticamente más favorable que sustituir la Fe(3), en 62 meV/f.u. Además, a concentraciones de níquel superiores al 20%, la agrupación de los átomos de níquel resulta preferible a una distribución homogénea. En otras palabras, los átomos de níquel «se juntan en montones» y dejan zonas de Fe6GeTe2 puro, que la deformación provocada por los dominios ricos en níquel estabiliza. El parámetro de red c de los dominios ricos en hierro es un 2% mayor que el de los ricos en níquel, y los campos de deformación están orientados a 60° entre dominios.
Ahora la orquesta suena afinada. Antes no se entendía por qué añadir níquel al Fe5GeTe2 eleva la temperatura de Curie hasta los 478 K récord, aunque la magnetización total disminuya, ni cuál era el papel de la separación de fases observada. Ahora está claro: la alta temperatura de Curie surge de los nanoprecipitados de la fase Fe6GeTe2, estabilizados por la deformación, y dentro de esa fase las distintas posiciones del hierro se reparten las funciones. Este mecanismo abre el camino hacia la ingeniería atómica de metales magnéticos de van der Waals mediante el control de nanoprecipitados, de forma análoga a las aleaciones metálicas clásicas, donde los nanoprecipitados se utilizan desde hace tiempo para controlar las propiedades. La utilidad práctica ya se vislumbra: el método de control de nanoprecipitados puede emplearse para crear imanes de van der Waals con una temperatura de Curie y una coercitividad a medida, algo importante para la espintrónica y la memoria magnética.
La temperatura de Curie de 478 K en el (Ni0.36Fe0.64)5.38GeTe2 es la más alta entre los ferromagnetos de van der Waals en volumen, y supera en casi un 75% la temperatura de Curie del níquel puro (627 K), aunque el níquel en este sistema es por sí mismo no magnético. En estado puro, la fase Fe6GeTe2 obtenida se había predicho como situada en el límite de la estabilidad termodinámica, y hasta ahora solo se había logrado crecer por vía epitaxial, con una temperatura de Curie un 25% inferior a la de los nanoprecipitados.
La idea de nanoprecipitados que estabilizan una fase inusual y confieren al material propiedades récord resuena con el concepto de 'polvo inteligente' de la ciencia ficción, donde partículas microscópicas generan colectivamente una respuesta macroscópica. En la novela 'El invencible' de Stanisław Lem, micropartículas auto-organizadas producen un comportamiento complejo, de forma parecida a como los nanoprecipitados de Fe6GeTe2 gobiernan el ferromagnetismo de todo el cristal.