Revelando misterios cuánticos: los científicos han descubierto un nuevo tipo de magnetismo

Para que un imán se adhiera a la puerta de un refrigerador, varios efectos físicos deben alinearse perfectamente. Los momentos magnéticos de sus electrones apuntan todos en la misma dirección, un fenómeno que ocurre incluso sin un campo magnético externo.

Esto se debe a la interacción de intercambio, una interacción compleja de repulsión electrostática entre electrones y a las propiedades de la mecánica cuántica de los espines de los electrones, que generan momentos magnéticos. Este mecanismo explica por qué materiales como el hierro y el níquel son ferromagnéticos, lo que significa que son permanentemente magnéticos a menos que se calienten por encima de una temperatura específica.

En ETH Zurich, un equipo de investigadores dirigido por Ataç Imamoğlu del Instituto de Electrónica Cuántica y Eugène Demler del Instituto de Física Teórica detectó un nuevo tipo de ferromagnetismo en un material producido artificialmente, en el que los momentos magnéticos de alineación ocurren de forma completamente Manera diferente. Recientemente publicaron sus resultados en la revista científica. Naturaleza.

Material artificial lleno de electrones.

En el laboratorio de Imamoğlu, el estudiante de doctorado Livio Ciorciaro, el estudiante de posdoctorado Tomasz Smolenski y sus colegas produjeron un material especial superponiendo capas atómicamente delgadas de dos materiales semiconductores diferentes (diseleniuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno).

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 la de los dos materiales). semiconductores), que puede llenarse de electrones aplicando un voltaje eléctrico.

En el material muaré producido en ETH, los espines electrónicos están desordenados si hay exactamente un electrón por sitio de la red (izquierda). Tan pronto como hay más electrones que sitios de red (derecha) y los pares de electrones pueden formar duplicados (rojo), los espines se alinean ferromagnéticamente porque esto minimiza la energía cinética. Crédito: ETH Zúrich

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«Estos materiales muaré han despertado un gran interés en los últimos años, porque pueden utilizarse para estudiar los efectos cuánticos de electrones que interactúan fuertemente», explica Imamoğlu. «Sin embargo, hasta ahora se sabía muy poco sobre sus propiedades magnéticas».

Para estudiar estas propiedades magnéticas, Imamoğlu y sus colegas midieron si, para un determinado electrón que llenaba el material muaré, era paramagnético, con sus momentos magnéticos orientados aleatoriamente, o ferromagnético. Iluminaron el material con luz láser y midieron la fuerza con la que 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 tanto, de los espines de los electrones), 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 sorprendente

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

«Fue una prueba sorprendente de un nuevo tipo de magnetismo que no puede explicarse mediante la interacción de intercambio», afirma Imamoğlu. De hecho, si la interacción de intercambio fuera responsable del magnetismo, esto también debería haber sucedido con menos electrones en la red. Por tanto, la aparición repentina indicó un efecto diferente.

Magnetismo cinético

Eugene Demler, en colaboración con el estudiante postdoctoral Ivan Morera, finalmente tuvo la idea crucial: podían estudiar un mecanismo que el físico japonés Yosuke Nagaoka había predicho teóricamente ya en 1966. En este mecanismo, apuntando sus espines en la misma dirección , los electrones minimizan su energía cinética (energía de movimiento), que es mucho mayor que la energía de intercambio. I

En el experimento realizado por los investigadores de ETH, esto ocurre tan pronto como dentro del material muaré hay más de un electrón por cada sitio de la red. Como resultado, los pares de electrones pueden combinarse para formar lo que se denomina duplicados. La energía cinética se minimiza cuando los duplicados pueden propagarse por toda la red mediante túneles de mecánica cuántica.

Sin embargo, esto sólo es posible si los electrones individuales de la red alinean sus espines ferromagnéticamente; de ​​lo contrario, se alteran los efectos de superposición de la mecánica cuántica que permiten la libre expansión de los duplicados.

«Jusqu’à présent, de tels mécanismes de magnétisme cinétique n’ont été détectés que dans des systèmes modèles, par exemple dans quatre points quantiques couplés», explique Imamoğlu, «mais jamais dans des systèmes à l’état solide étendus comme celui que utilizamos.»

Como siguiente paso, quiere modificar los parámetros de la red muaré para determinar si el ferromagnetismo se conserva a temperaturas más altas; En el experimento actual, este material todavía tuvo que enfriarse a una décima de grado por encima. cero absoluto.

Referencia: “Magnetismo cinético en materiales muaré triangulares” por L. Ciorciaro, T. Smoleński, I. Morera, N. Kiper, S. Hiestand, M. Kroner, Y. Zhang, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. Demler y A. İmamoğlu, 15 de noviembre de 2023, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06633-0