[ad_1]
(Noticias de Nanowerk) Una serie de «corrientes de bucle» similares a las de las abejas podrían explicar un fenómeno recientemente descubierto y nunca antes visto en algún tipo de material cuántico. Los hallazgos de los investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder algún día podrían ayudar a los ingenieros a crear dispositivos novedosos, como sensores cuánticos o el equivalente cuántico de los dispositivos de almacenamiento informático.
El material cuántico en cuestión se conoce por la fórmula química Mn3si2Te6. Pero también podría llamarlo «panal de abeja» porque sus átomos de manganeso y telurio forman una red de octaedros entrelazados que se parecen a las células de una colmena.
El físico Gang Cao y sus colegas de CU Boulder sintetizaron esta colmena molecular en su laboratorio en 2020 («Magnetorresistencia colosal al evitar la magnetización completamente polarizada en el aislante ferrimagnético Mn3si2Te6’), y se llevaron una sorpresa: en la mayoría de las circunstancias, el material se comportaba como un aislante. Eso significa que no dejaba pasar fácilmente las corrientes eléctricas. En cierto modo, sin embargo, cuando expusieron el panal a campos magnéticos, de repente se volvió un millón de veces menos resistente a las corrientes, era casi como si el material hubiera pasado de caucho a metal.
«Fue asombroso y enigmático», dijo Cao, profesor del Departamento de Física y autor correspondiente del nuevo estudio. «Nuestros esfuerzos posteriores para comprender mejor los fenómenos nos llevaron a descubrimientos aún más sorprendentes».
Ahora él y sus colegas creen que pueden explicar este asombroso comportamiento. El grupo, que incluye a varios estudiantes graduados de CU Boulder, publicó sus últimos hallazgos en la revista Naturaleza («Control de corrientes orbitales quirales en un material magnetorresistivo colosal»).
Basándose en experimentos en el laboratorio de Cao, el grupo informa que, bajo ciertas condiciones, el panal es atravesado por pequeñas corrientes internas conocidas como corrientes orbitales quirales o corrientes de bucle. Los electrones se deslizan en bucles dentro de cada uno de los octaedros en este material cuántico. Desde la década de 1990, los físicos han teorizado que las corrientes de bucle podrían existir en un puñado de materiales conocidos, como los superconductores de alta temperatura, pero aún tienen que observarlos directamente.
Cao dijo que es posible que puedan impulsar transformaciones sorprendentes en materiales cuánticos como los que él y su equipo encontraron.
«Hemos descubierto un nuevo estado cuántico de la materia», dijo Cao. «Su transición cuántica es casi como derretir hielo en agua».
cambios colosales
El estudio se centra en una extraña propiedad de la física llamada magnetorresistencia colosal (CMR).
En la década de 1950, los físicos se dieron cuenta de que si exponían ciertos tipos de materiales a imanes que producían polarización magnética, podían someter esos materiales a un cambio, lo que haría que cambiaran de aislantes a conductores más parecidos a cables. Hoy en día, esta tecnología aparece en unidades de computadora y muchos otros dispositivos electrónicos, lo que ayuda a controlar y transportar corrientes eléctricas de varias maneras.
Sin embargo, el panal en cuestión es muy diferente de estos materiales: la CMR solo ocurre cuando las condiciones evitan el mismo tipo de polarización magnética. El cambio en las propiedades eléctricas también es mucho más extremo que cualquier otro material CMR conocido, agregó Cao.
«Debes violar todas las condiciones convencionales para lograr este cambio», dijo Cao.
hielo derretido
Él y sus colegas, incluidos los graduados de CU Bouldering Yu Zhang, Yifei Ni y Hengdi Zhao, querían averiguar por qué.
Junto con el coautor Itamar Kimchi del Instituto de Tecnología de Georgia, se les ocurrió la idea de las corrientes de bucle. Según la teoría del equipo, innumerables electrones circulan constantemente en sus panales, trazando los bordes de cada octaedro. En ausencia de un campo magnético, estas corrientes de bucle tienden a permanecer desordenadas o a fluir tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido contrario. Es un poco como los autos que pasan por una rotonda en ambas direcciones a la vez.
Esta interrupción puede causar «atascos» para los electrones que se mueven en el material, dijo Cao, lo que aumenta la resistencia y hace que el panal sea un aislante.
Como dijo Cao, «a los electrones les gusta el orden».
Sin embargo, el físico agregó que si se pasa una corriente eléctrica al material cuántico en presencia de cierto campo magnético, las corrientes de bucle comienzan a circular en una sola dirección. En otras palabras, los atascos desaparecen. Una vez que eso sucede, los electrones pueden correr a través del material cuántico, casi como si fuera un alambre de metal.
«Las corrientes de bucle interno que circulan a lo largo de los bordes del octaedro son extraordinariamente vulnerables a las corrientes externas», dijo Cao. «Cuando una corriente eléctrica externa excede un umbral crítico, interrumpe las corrientes de bucle y finalmente las ‘derrite’, lo que da como resultado un estado electrónico diferente».
Encontró que para la mayoría de los materiales, la transición de un estado electrónico a otro ocurre casi instantáneamente, o dentro de una billonésima de segundo. Pero en su panal, esta transformación puede tardar unos segundos o incluso más.
Cao sospecha que toda la estructura del panal está comenzando a cambiar, y los enlaces entre los átomos se rompen y se reforman en nuevos patrones. Este tipo de reordenamiento lleva un tiempo inusualmente largo, señaló, un poco como lo que sucede cuando el hielo se derrite en agua.
Cao dijo que el trabajo ofrece un nuevo paradigma para las tecnologías cuánticas. Por ahora, probablemente no verás este panal en ningún dispositivo electrónico nuevo. Porque el comportamiento de conmutación solo tiene lugar a bajas temperaturas. Sin embargo, él y sus colegas están buscando materiales similares que hagan lo mismo en condiciones mucho más hospitalarias.
«Si queremos usar esto en dispositivos futuros, necesitamos materiales que muestren el mismo comportamiento a temperatura ambiente», dijo Cao.
[ad_2]