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Desarrollan en el IF espectrómetro magneto-óptico único en el país

Reyna Alejandra Fonseca Velázquez
13/oct/2017

Desde hace 7 años que César Ordoñez pertenece a la comunidad de investigadores del Instituto de Física. Su llegada implicó la construcción de un nuevo laboratorio en el IF, el Laboratorio de Dinámica de Magnetización, que él dirige desde entonces y cuya tecnología, desarrollada por el investigador mexicano, bien puede competir con la de otros países.

Dentro de su laboratorio, el investigador construyó uno de los instrumentos más poderosos del mundo que se utiliza para el estudio de las ondas de espín: el espectrómetro magneto-óptico por dispersión Brillouin (BLS, por sus siglas en inglés). Es único en su tipo en la UNAM y en México.

Su primer contacto con un instrumento como éste fue durante su estancia posdoctoral en la Universidad Estatal de Colorado en Estados Unidos. Ahí Ordoñez tuvo la oportunidad de trabajar con un BLS y supo que quería volver a México para construir uno igual. “Aprendí la técnica en Estados Unidos y cuando vine a México propuse crear uno de estos sistemas en el Instituto de Física”, cuenta.

Para entender qué son las ondas de espín, podemos imaginar a un grupo de personas hambrientas esperando en fila por sus alimentos, frente a ellos pasa un mesero con un aromático platillo. Las personas, sin salir de la fila, voltean uno a uno a mirar el platillo que el mesero tiene en sus manos. Si el mesero fuera y viniera de un lado a otro, como una onda, las personas girarían de un lado a otro.

El giro de las personas es muy similar al movimiento del espín de los materiales que estudia Ordoñez. Ya que estos materiales tienen propiedades magnéticas, sus espines van y vienen en presencia de una onda magnética. A ese movimiento ondulatorio se le conoce como magnón u ondas de espín.

Ordoñez también desarrolla materiales con propiedades magnéticas dentro de su laboratorio y con su tecnología puede medir la frecuencia, tiempo y desplazamiento de las ondas de espín, así como tomar videos de las mismas al propagarse dentro de las estructuras que estudia y desarrolla. Uno de los desarrollos más sobresalientes que ha hecho es la creación de cristales magnónicos, es decir, “medios magnéticos con estructura periódica”.

Con surcos, más detalles

Para formar cristales magnónicos, Ordoñez deposita materiales magnéticos en la superficie de láminas uniformes, luego remueve una parte del material magnético y genera patrones periódicos de surcos, cada uno separado de otro a la misma distancia; el resultado de esta procedimiento es el cristal magnónico. Los patrones de surcos que diseñó tienen el objetivo de manipular la propagación de las ondas de espín en dichos cristales, y así generar una respuesta en frecuencia, lo que ayuda a conocer cómo se transmiten estas ondas en el material.

Con ayuda de una sonda inductiva, un aro de 30 micras de diámetro, se detectan las perturbaciones (los surcos) en los cristales magnónicos: “esto nos arroja tanto la información de bandas formadas en el espectro (electromagnético), como la distribución de energía dentro del cristal en función de la posición de la sonda en relación con los surcos y de la frecuencia con la que es excitado el cristal”, abunda Ordoñez.

Trabajar de esta forma representa una ventaja en la manera en que se estudiaban anteriormente estos materiales. “Antes se excitaba de un lado del cristal y se medía lo que pasaba del otro lado pero no se conocía qué pasaba en el interior del cristal”, en cambio, con la sonda inductiva se puede conocer lo que pasa con la onda de espín dentro del cristal magnónico, cómo se forma y de qué manera se propaga a través del material.

Por todas las ventajas que tiene su técnica en el campo de estudio de las ondas de espín, su investigación no solo ha sido publicada en revistas internacionales de alto impacto como el Journal of Applied Physics (AIP, por sus siglas en inglés), sino que mereció estar en la portada de la misma el año pasado.



Portada de Journal of Applied Physics con una figura del trabajo de César Ordoñez.

Detectores de gases tóxicos:una posible aplicación

Uno de sus últimos estudios fue estudiar la sensibilidad de sensores magnónicos, hechos a base de nano-partículas de ferritas para la detección, discriminación y clasificación de gases tóxicos. Sus resultados ya fueron publicados en la revista Sensors and Actuators B: Chemical en septiembre del 2016.

“Primero mido la frecuencia de la onda de espín del sensor en un ambiente limpio y luego lo comparo con la frecuencia del sensor bajo un ambiente contaminado”. Por otro lado, “el corrimiento depende del tipo de gas tóxico que se encuentre en el ambiente”, explica.

Lo que Ordoñez demuestra con su trabajo es que estos sensores pueden ser muy sensibles para identificar gases tóxicos en el ambiente. Esto hace posible la clasificación de los gases.

El investigador cuenta con colaboradores del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico (CCADET), de la Universidad Estatal de Colorado, Estados Unidos y de la Universidad Electrotécnica de San Petersburgo, Rusia. Además, en el futuro busca entrar en el campo de la “magneto-espintrónica”, una rama emergente que pretende explotar tanto las características del electrón como de su espín; tendría aplicaciones en los dispositivos de almacenamiento masivo, pues disminuiría aún más el espacio que ocuparían grandes cantidades de información.

Hace un año, recibió la visita del Premio Nobel de Física 2007, el físico francés Albert Fert. Con él, iniciará una colaboración que aún está por determinarse. Igualmente, busca entusiasmar a jóvenes estudiantes que deseen adentrarse en el sorprendente campo de las ondas de espín.



César Ordóñez en el Laboratorio de Dinámica de Magnetización del Instituto de Física. Foto: Alejandra Fonseca.