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«La verdadera razón por la que tenemos magnetismo en nuestra vida diaria es la fuerza de las interacciones de intercambio de electrones», dijo el coautor del estudio Ataç İmamoğlu, físico también del Instituto de Electrónica Cuántica.
Pero 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 en la que cada ranura de la red tenía solo un electrón. Luego descubrió qué pasaría si uno de estos electrones fuera eliminado bajo ciertas condiciones. A medida que los electrones restantes de la red interactuaban entre sí, el agujero que contenía el electrón faltante flotaba alrededor de la red.
En el escenario de Nagaoka, la energía total de la red sería más baja si todos los espines de los electrones estuvieran alineados. Cada configuración de electrones tendría el mismo aspecto, como si los electrones fueran fichas idénticas en el rompecabezas deslizante más aburrido del mundo. Estos espines paralelos harían a su vez que el material fuera ferromagnético.
Cuando dos cuadrículas con un giro crean un patrón
İmamoğlu y sus colegas sospechaban que podían crear el magnetismo de Nagaoka experimentando con láminas monocapa de átomos que formaban un complicado patrón muaré (pronunciado: mwah-ray). En materiales en capas atómicamente delgados, los patrones muaré pueden cambiar radicalmente el comportamiento de los electrones y, por tanto, de los materiales. Por ejemplo, en 2018, el físico Pablo Jarillo-Herrero y sus colegas demostraron que las pilas de grafeno de dos capas adquirían la capacidad de superconducir cuando retorcían las dos capas.
Desde entonces, los materiales muaré han surgido como un nuevo sistema convincente para estudiar el magnetismo, utilizado junto con nubes de átomos sobreenfriados y materiales complejos como los cupratos. «Los materiales muaré esencialmente nos proporcionan un campo de juego para sintetizar y estudiar estados de electrones en muchos cuerpos», dijo İmamoğlu.
Los investigadores comenzaron sintetizando un material hecho de monocapas de semiconductores diseleniuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno, que pertenecen a una clase de materiales que simulaciones anteriores habían implicado que podrían exhibir magnetismo al estilo de Nagaoka. Luego aplicaron campos magnéticos débiles de intensidad variable al material muaré y controlaron cuántos espines de electrones del material se alineaban con los campos.
Luego, los investigadores repitieron estas mediciones mientras aplicaban diferentes voltajes al material, lo que cambió la cantidad de electrones en la red Moiré. Encontraron algo extraño. El material sólo tendía a adaptarse a un campo magnético externo, es decir, a comportarse de forma más ferromagnética, cuando tenía hasta un 50 por ciento 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 si hubiera estado funcionando el ferromagnetismo estándar de Nagaoka.
Aunque el material era magnético, no parecía estar impulsado por interacciones de intercambio. Pero ni siquiera las versiones más simples de la teoría de Nagaoka explicaban completamente sus propiedades magnéticas.
Cuando tus cosas se imantan y te sorprendes un poco
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, vinculando así sus destinos. En el material del equipo, una vez que hubo más electrones en la red Moiré que sitios de red, la energía del material disminuyó a medida que los electrones adicionales se deslocalizaron, como niebla bombeada a través de un escenario de Broadway. Luego se emparejaron brevemente con electrones en la red, formando combinaciones de dos electrones llamadas doblones.
Estos electrones adicionales errantes 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 energía más bajo, el resultado final fue que los doblones tendían a crear pequeñas regiones ferromagnéticas localizadas. Hasta cierto umbral, cuantos más doblones fluyen a través de una rejilla, más visiblemente se vuelve ferromagnético el material.
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