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Científicos acaban de descubrir un nuevo tipo de magnetismo

Investigadores de la Escuela Politécnica Federal (ETH) de Zúrich han identificado un nuevo tipo de ferromagnetismo que difiere del que tiene el imán común utilizado, por ejemplo, en los souvenirs en la puerta de tu refrigerador.

Para que un imán se adhiera a la puerta de un refrigerador, varios efectos físicos deben trabajar perfectamente juntos. Los momentos magnéticos de sus electrones deben apuntar todos en la misma dirección, incluso si no hay un campo magnético externo que los obligue a hacerlo. Esto ocurre debido a la llamada interacción de intercambio, una combinación de repulsión electrostática entre electrones y efectos cuánticos mecánicos de los giros electrónicos, que, a su vez, son responsables de los momentos magnéticos.

Esta es una explicación común para el hecho de que ciertos materiales como el hierro o el níquel sean ferromagnéticos, o magnéticos de manera permanente, siempre y cuando no se calienten por encima de una temperatura específica.

En el ETH de Zúrich, un equipo de investigadores liderado por Ataç Imamoğlu y Eugene Demler ha detectado un nuevo tipo de ferromagnetismo en un material artificialmente producido, en el que la alineación de los momentos magnéticos ocurre de una manera completamente diferente.

Material artificial con llenado de electrones

El equipo de Imamoğlu produjo un material especial colocando capas atómicamente delgadas de dos diferentes materiales semiconductores (diseleniuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno) una encima de la otra. En el plano de contacto, las diferentes constantes de red de los dos materiales —la separación entre sus átomos— conducen a la formación de un potencial periódico bidimensional con una constante de red grande (treinta veces mayor que las de los dos semiconductores), que puede llenarse con electrones aplicando un voltaje eléctrico.

«Estos materiales de moiré han atraído gran interés en los últimos años, ya que se pueden utilizar para investigar muy bien los efectos cuánticos de electrones fuertemente interactivos», explicó Imamoğlu. «Sin embargo, hasta ahora se sabía muy poco sobre sus propiedades magnéticas».

Crédito: Walls.io.

Para investigar dichas propiedades, los investigadores midieron si, para cierto llenado de electrones, el material de moiré era paramagnético —con sus momentos magnéticos orientados aleatoriamente— o ferromagnético. Iluminaron el material con luz láser y midieron cuán fuertemente se reflejaba la luz para diferentes polarizaciones. La polarización indica en qué dirección oscila el campo electromagnético de la luz láser y, dependiendo de la orientación de los momentos magnéticos —y por lo tanto, los giros electrónicos—, el material reflejará una polarización más fuerte que la otra. A partir de esta diferencia, se puede calcular si los giros apuntan en la misma dirección o en direcciones diferentes, a partir de lo cual se puede determinar la magnetización.

Pruebas impactantes

Al aumentar constantemente el voltaje, los físicos llenaron el material con electrones y midieron la magnetización correspondiente. Hasta alcanzar un llenado exacto de un electrón por sitio en la red de moiré (también conocida como aislante de Mott), el material permaneció paramagnético. A medida que los investigadores continuaban añadiendo electrones a la red, ocurrió algo inesperado: el material de repente se comportó de manera muy similar a un ferromagneto.

«Esa fue una prueba impactante de un nuevo tipo de magnetismo que no puede explicarse mediante la interacción de intercambio», señaló Imamoğlu.

De hecho, si la interacción de intercambio fuera responsable del magnetismo, eso también debería haberse manifestado con menos electrones en la red. El inicio repentino, por lo tanto, apuntaba hacia un efecto diferente.

Magnetismo cinético

Eugene Demler, en colaboración con el posdoctorado Ivan Morera, finalmente tuvo la idea crucial: podrían estar observando un mecanismo que el físico japonés Yosuke Nagaoka teorizó desde tan temprano como 1966. En ese mecanismo, al hacer que sus giros apunten en la misma dirección, los electrones minimizan su energía cinética (energía de movimiento), que es mucho mayor que la energía de intercambio. En el experimento realizado por los investigadores de ETH, esto sucede tan pronto como hay más de un electrón por sitio de red dentro del material de moiré.

Paramagnetismo (izquierda), donde los giros de los electrones están dispuestos aleatoriamente y los campos magnéticos no crecen. Ferromagnetismo cinético (derecha) presenta «doblones» de giros electrónicos que pueden dar lugar a un magnetismo a mayor escala. Crédito: Ciorciaro et al., Nature, 2023.

Como consecuencia, los pares de electrones pueden asociarse para formar los llamados doblones. La energía cinética se minimiza cuando los doblones pueden extenderse por toda la red a través del túnel cuántico mecánico. Sin embargo, esto solo es posible si los electrones individuales en la red alinean sus giros de manera ferromagnética, ya que de lo contrario, los efectos cuánticos de superposición que permiten la expansión libre de los doblones se ven perturbados.

«Hasta ahora, dichos mecanismos de magnetismo cinético solo se han detectado en sistemas modelo, por ejemplo, en cuatro puntos cuánticos acoplados, pero nunca en sistemas extendidos de estado sólido como el que estamos utilizando», concluyó Imamoğlu.

Como siguiente paso, él desea cambiar los parámetros de la red de moiré para investigar si el ferromagnetismo se mantiene a temperaturas más altas; en el experimento actual, ese material aún tenía que ser enfriado a una décima parte de un grado por encima del cero absoluto.

El estudio ha sido publicado en la revista científica Nature.

Fuente: ETHZ. Edición: MP.