Las propiedades magnéticas de los materiales suelen originarse en interacciones de intercambio entre sus electrones, pero investigadores de la ETH Zurich (Suiza) han descubierto un nuevo tipo de magnetismo que desobedece esta regla. Conocido como magnetismo cinético, y anteriormente sólo predicho teóricamente, el nuevo mecanismo se produce en un régimen en el que la fuerza de las interacciones de intercambio de electrones desaparece. Si bien es poco probable que el descubrimiento conduzca directamente a nuevos dispositivos, podría mejorar nuestra comprensión de materiales como los aisladores Mott y otros sistemas que presentan electrones fuertemente correlacionados.

Las propiedades magnéticas de un material surgen de los espines de la mecánica cuántica de sus electrones. En un material ferromagnético, por ejemplo, las interacciones de intercambio entre electrones hacen que todos los espines se alineen en la misma dirección, incluso en ausencia de un campo magnético externo aplicado. Sin embargo, con el nuevo mecanismo la alineación se produce incluso sin interacciones de intercambio. En cambio, surge porque la energía cinética de los electrones (que es mucho mayor que su energía de intercambio cuando los electrones están fuertemente correlacionados) se minimiza cuando los espines están alineados. Este efecto fue predicho por primera vez por el físico japonés Yosuke Nagaoka en 1966.

En el nuevo trabajo, que se detalla en Naturaleza, investigadores dirigidos por Atac Imamoglu at Instituto de Electrónica Cuántica de ETH Zurich y Eugenio Demler en el Instituto de Física Teórica Se estudiaron materiales conocidos como heteroestructuras de van der Waals. Los fabricaron en su laboratorio colocando capas atómicamente delgadas de dos materiales semiconductores diferentes, diseleniuro de molibdeno (MoS).₂) y disulfuro de tungsteno (WS₂), uno encima del otro. En el plano de contacto entre los dos, las diferentes constantes reticulares de los materiales (es decir, la separación entre sus átomos) produce un potencial periódico bidimensional con una constante reticular 30 veces mayor que la de los dos semiconductores por sí solos. Esta red muaré, como se la conoce, se puede “llenar” de electrones aplicando un voltaje.

Efectos de llenado de electrones

Imamoglu y sus colegas expusieron este material a luz láser polarizada y midieron la intensidad con la que se reflejaba la luz incidente para diferentes polarizaciones. Debido a que la cantidad de cada polarización que se refleja depende de la orientación de los momentos magnéticos del material (y por lo tanto de sus espines electrónicos), estas mediciones de la “fuerza del oscilador polarón atractivo resuelta por polarización” les permitieron determinar si los espines del material tienden a apuntar en el misma dirección (ferromagnetismo) o en direcciones aleatorias (paramagnetismo).

A medida que aumentaron el voltaje, los investigadores explican que los sitios de la red muaré se llenan de electrones. Hasta un llenado de exactamente un electrón por sitio de la red muaré (una disposición que produce un sistema conocido como aislante de Mott), el material es paramagnético. Sin embargo, a medida que aumenta aún más el número de electrones, el material comienza a comportarse como un ferroimán.

Este efecto, explica Imamoglu, es una “evidencia sorprendente” de un nuevo tipo de magnetismo que no puede explicarse mediante interacciones de intercambio, que surgen de efectos de la mecánica cuántica que se producen cuando se intercambian dos partículas idénticas. De hecho, si la interacción de intercambio fuera la responsable, el efecto observado por el equipo también debería haber aparecido con un número menor de electrones en la red.

Doblones en el régimen de interacción fuerte

Según los investigadores, la teoría de la banda prohibida electrónica predice que cuando cada sitio de una red de electrones está ocupado por un solo electrón, el sistema debería ser metálico. Sin embargo, en el régimen de interacción fuerte, el material se convierte en un aislante. A medida que el número de electrones aumenta aún más, se forman sitios con dos electrones, denominados "doblones".

"En principio, los doblones, que tienen un espín total de cero y, por tanto, no son magnéticos, podrían saltar libremente de un lugar a otro, haciendo que el material pase de ser un aislante Mott a ser conductor de electricidad", explica Imamoglu. “La energía de estos doblones se minimizaría si el salto de los doblones estuviera sujeto a una interferencia cuántica constructiva entre diferentes vías para saltar de un sitio a otro: esto sólo es posible si los espines de los electrones en los sitios individualmente ocupados están alineados, formando así un estado ferromagnético”.

Los investigadores admiten que hay aspectos de su experimento que aún no comprenden. Un ejemplo es la abrupta desaparición de las correlaciones ferromagnéticas cuando el factor de llenado de electrones de la red es 3/2.

De cara al futuro, esperan utilizar el efecto que observaron para descubrir nueva física. Como próximo paso, Imamoglu dice que les gustaría diseñar nuevas estructuras que exhiban orden ferromagnético a temperaturas más altas. Por el momento, el material que estudiaron tuvo que enfriarse entre unos pocos grados y una fracción de grado del cero absoluto.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/new-type-of-magnetism-appears-in-a-layered-semiconductor/