La investigación demuestra un nuevo tipo de ferromagnetismo con una alineación de momentos magnéticos completamente diferente

Para que un imán se adhiera a la puerta de su refrigerador, varias influencias físicas en su interior deben funcionar juntas a la perfección. Todos los momentos magnéticos de sus electrones apuntan en la misma dirección, incluso si ningún campo magnético externo los obliga a hacerlo.

Esto se debe a la llamada interacción de intercambio, que es una combinación de repulsión electrostática entre electrones y efectos mecánicos cuánticos del espín del electrón, que a su vez es responsable de los momentos magnéticos. Esta es una explicación común al hecho de que algunos materiales como el hierro o el níquel sean ferromagnéticos o magnéticos permanentes, siempre que no se calienten por encima de una determinada temperatura.

En la ETH de Zurich, un equipo de investigadores dirigido por Atak Imamoglu del Instituto de Electrónica Cuántica y Eugene Dimmler del Instituto de Física Teórica ha descubierto un nuevo tipo de ferromagnetismo en un material producido artificialmente, en el que los momentos magnéticos están alineados. Viene de una manera completamente diferente. Ellos recientemente publicado Sus resultados se publican en la revista. naturaleza.

Material sintético con relleno de electrones.

En el laboratorio de İmamoğlu, Ph.D. El estudiante Livio Ciurciaro, el posdoctorado Tomasz Smolenski y sus colegas produjeron un material especial colocando capas atómicamente delgadas de dos materiales semiconductores diferentes (diseleniuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno) uno encima del otro.

A nivel de contacto, las diferentes constantes de red de los dos materiales, es decir, la separación entre sus átomos, conducen a la formación de un potencial periódico bidimensional con una constante de red grande (treinta veces mayor que la de un semiconductor). que puede llenarse de electrones aplicando un potencial eléctrico.

«Estos materiales ondulados han despertado un gran interés en los últimos años, ya que pueden utilizarse para estudiar muy bien los efectos cuánticos de electrones que interactúan fuertemente», afirma Imamoglu. «Sin embargo, hasta ahora se sabe muy poco sobre sus propiedades magnéticas».

Para investigar estas propiedades magnéticas, Imamoglu y sus colegas midieron si, para un electrón dado que llena el material, un material muaré es paramagnético, con sus momentos magnéticos orientados aleatoriamente, o ferromagnético. Iluminaron el material con luz láser y midieron la intensidad con la que se reflejaba la luz en diferentes polarizaciones.

La polarización se refiere a la dirección en la que oscila el campo electromagnético de la luz láser y, dependiendo de la dirección de los momentos magnéticos (y, por tanto, del espín del electrón), el material reflejará una polarización con más fuerza que la otra. A partir de esta diferencia se puede calcular si los espines apuntan en la misma dirección o en direcciones diferentes, a partir de lo cual se puede determinar la magnetización.

Evidencia conclusiva

Al aumentar constantemente el voltaje, los físicos llenaron el material con electrones y midieron la magnetización correspondiente. Hasta que exactamente un electrón llenó cada sitio de la red muaré (también conocida como aislante de Mott), el material permaneció magnetizado. Mientras los investigadores seguían añadiendo electrones a la red, sucedió algo inesperado: el material de repente empezó a comportarse como un ferroimán.

«Fue una evidencia sorprendente de un nuevo tipo de magnetismo que no puede explicarse mediante la interacción de intercambio», dice Imamoglu. De hecho, si una reacción de intercambio es responsable del magnetismo, debería ocurrir con menos electrones en la red. Por tanto, la aparición repentina indica un efecto diferente.

Magnetismo cinético

Finalmente, Eugene Demmler, en colaboración con el posdoctorado Ivan Moreira, tuvo una idea crucial: podían investigar un mecanismo que el físico japonés Yusuke Nagaoka había predicho teóricamente ya en 1966. Ese mecanismo, haciendo que sus espines apuntaran en la misma dirección , los electrones reducen 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 ocurre tan pronto como dentro del material corrugado hay más de un electrón por cada punto de la red. Como resultado, los pares de electrones pueden combinarse para formar los llamados doblones. La energía cinética se reduce al mínimo cuando los diodos se propagan por toda la red a través de túneles de mecánica cuántica.

Sin embargo, esto sólo es posible si los electrones individuales de la red alinean magnéticamente su espín; de lo contrario, se alteran los efectos de la superposición mecánica cuántica que permiten la libre expansión de los doblones.

«Hasta ahora, estos mecanismos del magnetismo cinético sólo se han descubierto en sistemas modelo, por ejemplo, en cuatro puntos cuánticos acoplados, pero nunca en sistemas extendidos de estado sólido como los que utilizamos», dice Imamoglu.

Como siguiente paso, quiere cambiar los parámetros de la red muaré para comprobar si el ferromagnetismo se conserva para temperaturas más altas; En el experimento actual, el material aún debe enfriarse a una décima de grado por encima del cero absoluto.