| Física del Estado Sólido |
 Muestra de grafito colocado en un portamuestras  Imagen obtenida de una cámara termografica Junto a las típicas técnicas IBA de análisis de elementos atómicos de materiales (PIXE, RBS, ERDA, etc.) en un rango espacial que suele ir desde los nanómetros a las micras, los aceleradores de iones tienen también la enorme utilidad de ser potentes máquinas de implantación iónica y de modificación de materiales. Al implantar un ion energético sobre un sólido, se producen cambios en la estructura y propiedades del sólido que pueden ser aprovechados en diversos campos de aplicación de la física y la ingeniería, y pueden utilizarse para crear elementos tan variados como biochips y dispositivos ópticos o electrónicos. El rango de energías típicas utilizadas en implantación iónica es muy amplio, barriendo desde las pocas decenas de keV, obtenidas con pequeños implantadores iónicos, hasta incluso algunos cientos de MeV, producidos en aceleradores de partículas, cuyo uso suele ser más interesante (aunque más costoso) para la investigación científica. Nuestro equipo de investigación está aplicando estas técnicas a un problema del máximo interés en la actualidad dentro de la Física del Estado Sólido: la del estudio del comportamiento magnético reportado en grafito, grafeno y compuestos basados en el carbono, en general. Como es bien sabido, el grafito (estado cristalino estable del carbono puro a presión y temperatura ambientes) presenta un fuerte y anisotrópico diamagnetismo “de libro de texto”, achacable a sus electrones Π deslocalizados. No obstante, en las últimas dos décadas diversos investigadores han reportado evidencias más o menos claras de señales de ferromagnetismo en carbono a temperatura ambiente. Podemos destacar especialmente los experimentos realizados [1] en distintas muestras de grafito pirolítico altamente orientado (HOPG) irradiadas con protones, por parte del grupo en la Universidad de Leipzig (Alemania) dirigido por el Prof. Pablo Esquinazi (que realizó una estancia sabática en el CMAM durante 2007-08). Por todo ello, decidimos iniciar una línea de investigación sobre este tema en el acelerador de iones de 5 MV del CMAM y en colaboración con otros grupos de investigadores del Campus de la Universidad Autónoma de Madrid y de la Universidad de Leipzig. Además de la implantación e irradiación iónicas, la técnica PIXE (Particle-Induced X-ray Emission) del acelerador de iones sirve para determinar in situ posibles pequeñas cantidades de impurezas magnéticas en la muestra, una cuestión relevante dado el bajo nivel de señales ferromagnéticas reportadas normalmente. La posible existencia de ferromagnetismo, o de otras contribuciones magnéticas en las muestras, se estudia mediante magnetometría SQUID de alta precisión y ocasionalmente mediante Microscopía de Fuerzas Magnéticas (MFM). [2] En los últimos años, y en colaboración con el grupo de la Universidad de Leipzig, nuestro grupo del CMAM ha realizado nuevos experimentos [3] más cuidadosos y precisos sobre el posible cambio en las propiedades magnéticas en muestras de grafito HOPG tras la irradiación de iones positivos de H, C y N de energías en el rango de los MeV. El uso de nuevos portamuestras especialmente preparados para las medidas magnéticas mediante el SQUID nos proporcionaron una altísima precisión y reproducibilidad, de manera que se pueden determinar directamente los efectos de la irradiación sin necesidad de correcciones o sustracciones indirectas. En resumen, nuestros resultados mostraron que la irradiación de iones provocaba hasta tres tipos diferentes de fenómenos magnéticos en las muestras de grafito: paramagnetismo de Curie, ferromagnetismo y un anómalo estado paramagnético que aparecía en determinados casos como un precursor del estado magnético ordenado. Observamos también mediante medidas directas de la temperatura superficial de las muestras con una cámara termográfica que los efectos de auto-calentamiento durante la irradiación son importantes y una causa probable de las débiles contribuciones ferromagnéticas obtenidas en muchos casos. En cualquier caso, nuestros resultados [3] sugieren que el ferromagnetismo aparece cuando la distancia promedio entre vacantes cerca de la región superficial es de aproximadamente 2nm. [1] P. Esquinazi, D. Spemann, R. Hohne, A. Setzer, K. H. Han, and T. Butz, Phys. Rev. Lett. 91, 227201 (2003). |
