Científicos descubren un nuevo estado magnético de la materia

Científicos del Brookhaven National Laboratory de EEUU han descubierto un estado magnético de la materia predicho desde hace mucho tiempo llamado “aislante excitónico antiferromagnético”.

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“En términos generales, este es un tipo de imán novedoso”, dijo en un comunicado Mark Dean, físico de Brookhaven Lab, autor principal de un artículo que describe la investigación que acaba de publicarse en Nature Communications. “Dado que los materiales magnéticos se encuentran en el corazón de gran parte de la tecnología que nos rodea, los nuevos tipos de imanes son fundamentalmente fascinantes y prometedores para futuras aplicaciones”.

El nuevo estado magnético implica una fuerte atracción magnética entre los electrones en un material en capas que hace que los electrones deseen organizar sus momentos magnéticos, o “espines”, en un patrón “antiferromagnético” regular de arriba hacia abajo. La idea de que tal antiferromagnetismo podría ser impulsado por un peculiar acoplamiento de electrones en un material aislante se predijo por primera vez en la década de 1960 cuando los físicos exploraron las diferentes propiedades de los metales, semiconductores y aislantes.

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“Hace sesenta años, los físicos apenas comenzaban a considerar cómo se aplican las reglas de la mecánica cuántica a las propiedades electrónicas de los materiales”, dijo en un comunicado Daniel Mazzone, exfísico del Laboratorio Brookhaven que dirigió el estudio y ahora trabaja en el Instituto Paul Scherrer en Suiza. “Estaban tratando de averiguar qué sucede cuando haces que la ‘brecha de energía’ electrónica entre un aislante y un conductor sea cada vez más pequeña. ¿Simplemente cambias un aislador simple en un metal simple donde los electrones pueden moverse libremente, o haces algo más interesante?”

La predicción fue que, bajo ciertas condiciones, podrías obtener algo más interesante: a saber, el “aislante excitónico antiferromagnético” recién descubierto por el equipo de Brookhaven.

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En un antiferromagnético, los electrones de los átomos adyacentes tienen sus ejes de polarización magnética (espines) alineados en direcciones alternas: arriba, abajo, arriba, abajo, etc. En la escala de todo el material, esas orientaciones magnéticas internas alternas se cancelan entre sí, lo que da como resultado que no haya magnetismo neto en el material en general. Dichos materiales se pueden cambiar rápidamente entre diferentes estados. También son resistentes a la pérdida de información debido a la interferencia de campos magnéticos externos. Estas propiedades hacen que los materiales antiferromagnéticos sean atractivos para las tecnologías de comunicación modernas.

A continuación, está el excitónico. Los excitones surgen cuando ciertas condiciones permiten que los electrones se muevan e interactúen fuertemente entre sí para formar estados ligados. Los electrones también pueden formar estados ligados con “agujeros”, las vacantes que quedan cuando los electrones saltan a una posición o nivel de energía diferente en un material. En el caso de las interacciones electrón-electrón, la unión es impulsada por atracciones magnéticas que son lo suficientemente fuertes como para superar la fuerza de repulsión entre las dos partículas con carga similar. En el caso de interacciones electrón-hueco, la atracción debe ser lo suficientemente fuerte como para superar la “brecha de energía” del material, una característica de un aislante.

“Un aislante es lo opuesto a un metal; es un material que no conduce la electricidad”, dijo Dean. Los electrones en el material generalmente permanecen en un estado de energía bajo o “tierra”. “Todos los electrones están atascados en su lugar, como personas en un anfiteatro lleno; no pueden moverse”, dijo. Para hacer que los electrones se muevan, tienes que darles un impulso de energía que sea lo suficientemente grande como para superar una brecha característica entre el estado fundamental y un nivel de energía más alto.

En circunstancias muy especiales, la ganancia de energía de las interacciones magnéticas de electrones y huecos puede compensar el costo de energía de los electrones que saltan a través de la brecha de energía.

Ahora, gracias a técnicas avanzadas, los físicos pueden explorar esas circunstancias especiales para aprender cómo surge el estado del aislante excitónico antiferromagnético.

Un equipo de colaboración trabajó con un material llamado óxido de estroncio e iridio (Sr3Ir2O7), que apenas aísla a altas temperaturas. Daniel Mazzone, Yao Shen (Laboratorio de Brookhaven), Gilberto Fabbris (Laboratorio Nacional de Argonne) y Jennifer Sears (Laboratorio de Brookhaven) usaron rayos X en Advanced Photon Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional de Argonne, para medir la interacciones magnéticas y el costo de energía asociado de los electrones en movimiento. Jian Liu y Junyi Yang de la Universidad de Tennessee y los científicos de Argonne Mary Upton y Diego Casa también hicieron contribuciones importantes.

El equipo comenzó su investigación a alta temperatura y enfrió gradualmente el material. Con el enfriamiento, la brecha energética se redujo gradualmente. A 285 Kelvin (alrededor de 53 grados Fahrenheit), los electrones comenzaron a saltar entre las capas magnéticas del material, pero inmediatamente formaron pares unidos con los agujeros que habían dejado atrás, provocando simultáneamente la alineación antiferromagnética de los espines de electrones adyacentes.

Hidemaro Suwa y Christian Batista, de la Universidad de Tennessee, realizaron cálculos para desarrollar un modelo utilizando el concepto del aislante excitónico antiferromagnético predicho y demostraron que este modelo explica de manera integral los resultados experimentales.

“Usando rayos X, observamos que la unión provocada por la atracción entre los electrones y los huecos en realidad devuelve más energía que cuando el electrón salta sobre la brecha de banda”, explicó Yao Shen. “Debido a que este proceso ahorra energía, todos los electrones quieren hacer esto. Luego, después de que todos los electrones han logrado la transición, el material se ve diferente del estado de alta temperatura en términos de la disposición general de electrones y espines. La nueva configuración implica que los espines de los electrones se ordenen en un patrón antiferromagnético, mientras que los pares enlazados crean un estado de aislamiento ‘bloqueado’”.

La identificación del aislante excitónico antiferromagnético completa un largo viaje que explora las formas fascinantes en que los electrones eligen organizarse en los materiales. En el futuro, la comprensión de las conexiones entre el espín y la carga en dichos materiales podría tener potencial para la realización de nuevas tecnologías.

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