Nuevo tipo de magnetismo detectado en un material diseñado | Revista Quanta

Todos los imanes con los que alguna vez has interactuado, como los chucherías pegadas a la puerta de tu refrigerador, son magnéticos por la misma razón. Pero ¿y si existiera otra forma más extraña de hacer que un material sea magnético?

En 1966, el físico japonés Yosuke Nagaoka concibió un tipo de magnetismo producido por una danza aparentemente antinatural de electrones dentro de un material hipotético. Ahora, un equipo de físicos ha descubierto una versión de las predicciones de Nagaoka que se desarrollan dentro de un material diseñado con sólo seis átomos de espesor.

El descubrimiento, Recientemente publicado en la revista. Naturaleza, marca el último avance en la búsqueda de cinco décadas del ferromagnetismo de Nagaoka, en el que un material se magnetiza cuando los electrones que contiene minimizan su energía cinética, en contraste con los imanes tradicionales. "Es por eso que estoy haciendo este tipo de investigación: puedo aprender cosas que no sabíamos antes, ver cosas que no habíamos visto antes", dijo el coautor del estudio. Livio Ciorciaro, quien completó el trabajo mientras era candidato a doctorado en el Instituto de Electrónica Cuántica del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich.

En 2020, Los investigadores crearon el ferromagnetismo de Nagaoka. en un sistema diminuto que contiene sólo tres electrones, uno de los sistemas más pequeños posibles en los que puede ocurrir el fenómeno. En el nuevo estudio, Ciorciaro y sus colegas hicieron que esto sucediera en un sistema extendido: una estructura estampada llamada red muaré que se forma a partir de dos láminas de un espesor de nanómetros.

Este estudio "es un uso realmente interesante de estas redes de muaré, que son relativamente nuevas", dijo Juan Pablo Dehollain, coautor del estudio de 2020 que completó el trabajo en la Universidad Tecnológica de Delft. "Se analiza este ferromagnetismo de una manera diferente".

Cuando tus giros paralelos hacen que comience un campo

El ferromagnetismo tradicional surge porque los electrones no se gustan mucho entre sí, por lo que no desean encontrarse.

Imaginemos dos electrones sentados uno al lado del otro. Se repelerán porque ambos tienen cargas eléctricas negativas. Su estado de menor energía los encontrará muy separados. Y los sistemas, por regla general, se asientan en su estado de menor energía.

Según la mecánica cuántica, los electrones tienen algunas otras propiedades críticas. En primer lugar, se comportan menos como puntos individuales y más como nubes de niebla probabilísticas. En segundo lugar, tienen una propiedad cuántica llamada espín, que es algo así como un imán interno que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. Y tercero, dos electrones no pueden estar en el mismo estado cuántico.

Como consecuencia, los electrones que tienen el mismo espín realmente querrán alejarse unos de otros; si están en el mismo lugar, con el mismo espín, corren el riesgo de ocupar el mismo estado cuántico. Los electrones superpuestos con espines paralelos permanecen ligeramente más separados de lo que estarían de otra manera.

En presencia de un campo magnético externo, este fenómeno puede ser lo suficientemente fuerte como para engatusar a los espines de los electrones para que se alineen como pequeñas barras magnéticas, creando un campo magnético macroscópico dentro del material. En metales como el hierro, estas interacciones de electrones, que se denominan interacciones de intercambio, son tan potentes que la magnetización inducida es permanente, siempre y cuando el metal no se caliente demasiado.

"La razón por la que tenemos magnetismo en nuestra vida cotidiana es por la fuerza de las interacciones de intercambio de electrones", dijo el coautor del estudio. Ataç İmamoğlu, físico también del Instituto de Electrónica Cuántica.

Sin embargo, como teorizó Nagaoka en la década de 1960, las interacciones de intercambio pueden no ser la única forma de hacer que un material sea magnético. Nagaoka imaginó una red cuadrada bidimensional donde cada sitio de la red tenía solo un electrón. Luego descubrió qué pasaría si se eliminara uno de esos electrones en determinadas condiciones. A medida que los electrones restantes de la red interactuaban, el agujero donde había estado el electrón faltante se deslizaría por la red.

En el escenario de Nagaoka, la energía general de la red estaría en su nivel más bajo cuando todos los espines de sus electrones estuvieran alineados. Cada configuración electrónica tendría el mismo aspecto, como si los electrones fueran mosaicos idénticos en el mundo más aburrido del mundo. rompecabezas de azulejos deslizantes. Estos espines paralelos, a su vez, harían que el material fuera ferromagnético.

Cuando dos cuadrículas con un giro forman un patrón

İmamoğlu y sus colegas intuyeron que podían crear el magnetismo de Nagaoka experimentando con láminas de átomos de una sola capa que podían apilarse para formar un intrincado patrón muaré (pronunciado mwah-ray). En materiales en capas atómicamente delgados, los patrones muaré pueden alterar radicalmente el comportamiento de los electrones y, por tanto, de los materiales. Por ejemplo, en 2018 el físico Pablo Jarillo-Herrero y sus colegas demostrado que las pilas de grafeno de dos capas adquirieron la capacidad de superconducir cuando desplazaron las dos capas con un giro.

Desde entonces, los materiales muaré han surgido como un nuevo sistema convincente para estudiar el magnetismo, ubicado junto a nubes de átomos sobreenfriados y materiales complejos como los cupratos. "Los materiales muaré nos proporcionan un campo de juego para, básicamente, sintetizar y estudiar estados de electrones en muchos cuerpos", dijo İmamoğlu.

Los investigadores comenzaron sintetizando un material a partir de monocapas de semiconductores diseleniuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno, que pertenecen a una clase de materiales que simulaciones pasadas había dado a entender que podría exhibir un magnetismo al estilo de Nagaoka. Luego aplicaron campos magnéticos débiles de diferentes intensidades al material muaré mientras rastreaban cuántos espines de electrones del material se alineaban con los campos.

Luego, los investigadores repitieron estas mediciones mientras aplicaban diferentes voltajes a través del material, lo que cambió la cantidad de electrones que había en la red muaré. Encontraron algo extraño. El material era más propenso a alinearse con un campo magnético externo, es decir, a comportarse de manera más ferromagnética, solo cuando tenía hasta un 50% más de electrones que sitios de red. Y cuando la red tenía menos electrones que los sitios de la red, los investigadores no vieron signos de ferromagnetismo. Esto era lo contrario de lo que habrían esperado ver si el ferromagnetismo estándar de Nagaoka hubiera estado funcionando.

Aunque el material era magnetizante, las interacciones de intercambio no parecían impulsarlo. Pero las versiones más simples de la teoría de Nagaoka tampoco explicaban completamente sus propiedades magnéticas.

Cuando tus cosas se magnetizan y estás algo sorprendido

Al final todo se redujo al movimiento. Los electrones reducen su energía cinética al expandirse en el espacio, lo que puede hacer que la función de onda que describe el estado cuántico de un electrón se superponga con la de sus vecinos, uniendo sus destinos. En el material del equipo, una vez que hubo más electrones en la red muaré que sitios de red, la energía del material disminuyó cuando los electrones adicionales se deslocalizaron como niebla bombeada a través de un escenario de Broadway. Luego se emparejaron fugazmente con electrones en la red para formar combinaciones de dos electrones llamadas doblones.

Estos electrones adicionales itinerantes, y los doblones que seguían formando, no podían deslocalizarse y extenderse dentro de la red a menos que todos los electrones en los sitios circundantes de la red tuvieran espines alineados. A medida que el material perseguía implacablemente su estado de menor energía, el resultado final fue que los doblones tendían a crear pequeñas regiones ferromagnéticas localizadas. Hasta cierto umbral, cuantos más doblones atraviesan una red, más ferromagnético se vuelve detectable el material.

Fundamentalmente, Nagaoka teorizó que este efecto también funcionaría cuando una red tuviera menos electrones que los sitios de la red, que no fue lo que vieron los investigadores. Pero según el trabajo teórico del equipo: publicado en Investigación de revisión física en junio, antes de los resultados experimentales, esa diferencia se reduce a las peculiaridades geométricas de la red triangular que usaron frente a la cuadrada en los cálculos de Nagaoka.

Eso es un-Moiré

No podrás colocar ferroimanes cinéticos en tu refrigerador en el corto plazo, a menos que cocines en uno de los lugares más fríos del universo. Los investigadores evaluaron el comportamiento ferromagnético del material muaré a unos gélidos 140 mikelvins.

Para İmamoğlu, la sustancia, no obstante, revela nuevas e interesantes vías para investigar el comportamiento de los electrones en sólidos y en aplicaciones con las que Nagaoka sólo podría haber soñado. En colaboración con Eugene Demler y Iván Morera Navarro, físicos teóricos del Instituto de Física Teórica, quiere explorar si mecanismos cinéticos como los que están en juego dentro del material muaré podrían usarse para manipular partículas cargadas para que se apareen, señalando potencialmente el camino hacia un nuevo mecanismo para la superconductividad.

"No estoy diciendo que esto sea posible todavía", dijo. “Ahí es donde quiero ir”.