[ad_1]
(noticias nanowerk) Los materiales cuánticos son la clave para un futuro de sistemas de información ultrarrápidos y energéticamente eficientes. El problema de aprovechar su potencial transformador es que en los sólidos, la gran cantidad de átomos a menudo ahoga las exóticas propiedades cuánticas de los electrones.
Investigadores de la Universidad Rice en el laboratorio del científico de materiales cuánticos Hanyu Zhu descubrieron que los átomos también pueden hacer maravillas cuando se mueven en círculos: cuando la red atómica en un cristal de tierras raras se establece en una vibración en forma de sacacorchos conocida como fonón quiral, el cristal se transforma se convierte en un imán.
Las tesis centrales
Investigación
Según un estudio publicado en Ciencia (“Grandes campos magnéticos efectivos de fonones quirales en haluros de tierras raras”): cuando el fluoruro de cerio se expone a pulsos de luz ultrarrápidos, sus átomos participan en una danza que atrae temporalmente los espines de los electrones, haciendo que se alineen con la rotación del átomo. De lo contrario, esta alineación requeriría un fuerte campo magnético para activarse porque el fluoruro de cerio es inherentemente paramagnético y tiene espines alineados aleatoriamente incluso a temperatura cero.
«Cada electrón tiene un espín magnético que actúa como una pequeña aguja de brújula incrustada en el material que responde al campo magnético local», dijo el científico de materiales de Rice y coautor Boris Yakobson. “La quiralidad, también llamada lateralidad porque las manos izquierda y derecha se reflejan entre sí sin superponerse, no debería tener influencia en las energías del espín del electrón. Pero en este caso, el movimiento quiral de la red atómica polariza los espines dentro del material, como si se estuviera aplicando un gran campo magnético”.
Aunque es de corta duración, la fuerza que alinea los espines dura muchas veces más que la duración del pulso de luz. Debido a que los átomos solo giran a ciertas frecuencias y se mueven por más tiempo a temperaturas más bajas, mediciones adicionales dependientes de la frecuencia y la temperatura confirman aún más que la magnetización se produce como resultado de la danza quiral colectiva de los átomos.
«El efecto del movimiento de los átomos sobre los electrones es sorprendente porque los electrones son mucho más ligeros y más rápidos que los átomos», dijo Zhu, catedrático William Marsh Rice de Rice y profesor asistente de ciencia de materiales y nanoingeniería. “Normalmente, los electrones pueden adaptarse instantáneamente a una nueva posición atómica, olvidándose de su trayectoria anterior. Las propiedades materiales permanecerían sin cambios si los átomos se movieran en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario, avanzando o retrocediendo en el tiempo, un fenómeno que los físicos llaman simetría de inversión del tiempo”.
La idea de que el movimiento colectivo de los átomos rompe la simetría de inversión del tiempo es relativamente nueva. Los fonones quirales se han demostrado experimentalmente en varios materiales diferentes, pero no está claro exactamente cómo afectan a las propiedades de los materiales.
«Queríamos medir cuantitativamente el efecto de los fonones quirales sobre las propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas de un material», dijo Zhu. “Dado que el espín se refiere a la rotación de los electrones, mientras que los fonones describen la rotación de los átomos, existe la ingenua expectativa de que los dos puedan comunicarse entre sí. Por eso decidimos centrarnos en un fenómeno fascinante llamado acoplamiento de espín-fonones”.
El acoplamiento spin-phonon juega un papel importante en aplicaciones del mundo real, como la escritura de datos en un disco duro. A principios de este año, el grupo de Zhu demostró un nuevo caso de acoplamiento espín-fonón en capas moleculares individuales, con átomos moviéndose linealmente y espines temblando.
En sus nuevos experimentos, Zhu y los miembros del equipo tuvieron que encontrar una manera de inducir movimiento quiral en una red atómica. Esto requirió seleccionar el material adecuado y producir luz en la frecuencia adecuada para poner en movimiento la red atómica mediante cálculos teóricos de los colaboradores.
«No existe ninguna fuente de luz disponible comercialmente para nuestras frecuencias de fonones de alrededor de 10 terahercios», explicó Jiaming Luo, estudiante de posgrado en física aplicada y autor principal del estudio. “Creamos nuestros pulsos de luz mezclando luz infrarroja intensa y girando el campo eléctrico para ‘hablar’ con los fonones quirales. También registramos dos pulsos de luz infrarroja adicionales para monitorear el giro o el movimiento atómico”.
Además de los conocimientos sobre el acoplamiento de espín-fonón obtenidos a partir de los resultados de la investigación, el diseño y la configuración experimentales ayudarán a respaldar futuras investigaciones sobre materiales magnéticos y cuánticos.
«Esperamos que la medición cuantitativa del campo magnético de los fonones quirales pueda ayudarnos a desarrollar protocolos experimentales para estudiar física novedosa en materiales dinámicos», dijo Zhu. «Nuestro objetivo es construir materiales que no existen en la naturaleza utilizando campos externos, como la luz o las fluctuaciones cuánticas».
[ad_2]