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En el material muaré producido en ETH, los espines de los electrones están desordenados cuando hay exactamente un electrón por sitio de la red (izquierda). Tan pronto como hay más electrones que posiciones de la red (derecha) y los pares de electrones pueden formar doblones (rojo), los espines se alinean ferromagnéticamente, ya que esto minimiza la energía cinética. CRÉDITO ETH Zúrich |
Abstracto:
Para que un imán se adhiera a la puerta de un frigorífico, varios efectos físicos deben funcionar juntos perfectamente en el interior. Todos los momentos magnéticos de sus electrones apuntan en la misma dirección, incluso si no hay ningún campo magnético externo que los obligue a hacerlo. Esto sucede debido a la llamada interacción de intercambio, una combinación de repulsión electrostática entre electrones y efectos mecánicos cuánticos de los espines de los electrones, que a su vez son responsables de los momentos magnéticos. Esta es una explicación común de que ciertos materiales, como el hierro o el níquel, sean ferromagnéticos o permanentemente magnéticos, siempre que no se calienten por encima de una determinada temperatura.
Un nuevo tipo de magnetismo
Zúrich, Suiza | Publicado el 17 de noviembre de 2023
En la ETH de Zurich, un equipo de investigación dirigido por Ata Imamoğlu del Instituto de Electrónica Cuántica y Eugene Demler del Instituto de Física Teórica ha descubierto un nuevo tipo de ferromagnetismo en un material producido artificialmente en el que los momentos magnéticos están alineados en una manera completamente diferente. Recientemente publicaron sus resultados en la revista Nature.
Material artificial lleno de electrones.
En el laboratorio de Imamoğlus, el estudiante de posgrado Livio Ciorciaro, el investigador postdoctoral Tomasz Smolenski y sus colegas crearon un material especial colocando capas atómicamente delgadas de dos materiales semiconductores diferentes (diseleniuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno) uno encima del otro. En el plano de contacto, la diferente constante de red de los dos materiales conduce, mediante la separación de sus átomos, a la formación de un potencial periódico bidimensional con una constante de red grande (treinta veces mayor que la de los dos semiconductores), que Puede llenarse de electrones aplicando un voltaje eléctrico. Estos materiales muaré han despertado gran interés en los últimos años porque pueden utilizarse para estudiar muy bien los efectos cuánticos de electrones que interactúan fuertemente, afirma Imamoğlu. Sin embargo, hasta ahora se sabía muy poco sobre sus propiedades magnéticas.
Para estudiar estas propiedades magnéticas, Imamoğlu y sus colaboradores midieron si el material muaré para un llenado de electrones determinado era paramagnético, con momentos magnéticos alineados aleatoriamente, o ferromagnético. Iluminaron el material con luz láser y midieron la intensidad con la que se reflejaba la luz en diferentes polarizaciones. La polarización indica en qué dirección oscila el campo electromagnético de la luz láser y, dependiendo de la alineación de los momentos magnéticos y, por tanto, del espín del electrón, el material refleja 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 continuamente el voltaje, los físicos llenaron el material con electrones y midieron la magnetización correspondiente. El material permaneció paramagnético hasta un llenado de exactamente un electrón por sitio de la red Moir (también llamado aislante Mott). Mientras los investigadores seguían añadiendo electrones a la red, sucedió algo inesperado: el material de repente se comportó de forma muy parecida a un ferroimán.
Esta es una evidencia sorprendente de un nuevo tipo de magnetismo que no puede explicarse por la interacción de intercambio, afirma Imamoğlu. De hecho, si la interacción de intercambio fuera responsable del magnetismo, esto también debería haber ocurrido con menos electrones en la red. De modo que la aparición repentina sugirió un efecto diferente.
Magnetismo cinético
Eugene Demler, en colaboración con el investigador postdoctoral Ivan Morera, finalmente tuvo la idea crucial: podían investigar un mecanismo que el físico japonés Yosuke Nagaoka ya había predicho teóricamente en 1966. En la misma dirección, los electrones minimizan su energía cinética (energía de movimiento). ), que es mucho mayor que la energía de intercambio. En el experimento de los investigadores de ETH, esto sucede tan pronto como hay más de un electrón por sitio de red en el material muaré. Esto permite que los pares de electrones se unan para formar los llamados doblones. La energía cinética se minimiza si los doblones pueden extenderse por toda la red mediante túneles de mecánica cuántica. Sin embargo, esto sólo es posible si los electrones individuales en 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 doblones.
Hasta ahora, estos mecanismos del magnetismo cinético sólo se han demostrado en sistemas modelo, como cuatro puntos cuánticos acoplados, dice Imamoğlu, pero nunca en sistemas extendidos de estado sólido como el que utilizamos.
Como próximo paso, le gustaría cambiar los parámetros de la rejilla Moiré para investigar si el ferromagnetismo se conserva a temperaturas más altas; En el experimento actual, este material tuvo que enfriarse a una décima de grado por encima del cero absoluto.
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Contacto experto
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