Descubriendo una nueva física fundamental: los experimentos demuestran la existencia de un nuevo tipo de magnetismo

Experimentos con una fuente de luz suiza SLS Demostrar la existencia de un nuevo tipo de magnetismo, con amplias implicaciones para la tecnología y la investigación.

Ahora hay una nueva incorporación a la familia magnética: gracias a experimentos realizados en Swiss Light Source SLS, los investigadores han demostrado la existencia de un magnetismo alternativo. El descubrimiento experimental de esta nueva rama del magnetismo se informó en naturaleza Significa una nueva física fundamental, con importantes implicaciones para la espintrónica.

El magnetismo es mucho más que cosas que se adhieren a su refrigerador. Esta comprensión llegó con el descubrimiento de los antiimanes hace casi un siglo. Desde entonces, la familia de materiales magnéticos se ha dividido en dos etapas básicas: la rama ferromagnética conocida desde hace miles de años y la rama antimagnética. La Fuente de Luz Suiza (SLS) ha proporcionado evidencia experimental de una tercera rama del magnetismo, llamada magnetismo alternativo, a través de una colaboración internacional liderada por la Academia Checa de Ciencias con el Instituto Paul Scherrer (PSI).

Las fases magnéticas fundamentales están determinadas por disposiciones espontáneas específicas de los momentos magnéticos (o espines de los electrones) y de los átomos que transportan los momentos en los cristales. Los ferromagnetos son el tipo de imán que se adhiere al refrigerador: aquí los espines apuntan en la misma dirección, generando un magnetismo microscópico. En los materiales antiferromagnéticos, los espines apuntan en direcciones alternas, lo que hace que el material no tenga una red de magnetización macroscópica y, por lo tanto, no se adhiera al refrigerador. Aunque se han clasificado otros tipos de magnetismo, como el magnetismo y el paramagnetismo, describen respuestas específicas a campos magnéticos aplicados externamente en lugar de una disposición magnética espontánea en los materiales.

Descubrimiento y propiedades de los imanes sustitutos.

Los imanes de repuesto tienen una combinación especial de disposición de espín y simetrías cristalinas. Los espines se alternan, como en los antiimanes, lo que no produce magnetización neta. Sin embargo, en lugar de simplemente cancelar las simetrías, las simetrías dan una estructura de banda electrónica con una fuerte polarización de espín que fluctúa en dirección a medida que se pasa a través de las bandas de energía del material, de ahí el nombre de imanes sustituyentes. Esto da como resultado propiedades muy útiles similares a las de los ferromagnetos, así como algunas completamente nuevas.

En la revista Nature, los investigadores informan del descubrimiento de un nuevo tipo de magnetismo fundamental, llamado «magnetismo alternativo». Aquí, Juraj Krembaski, científico de PSI y primer autor de la publicación, se encuentra en Swiss Light Source SLS, donde se presenta evidencia experimental del magnetismo alternativo. Fuente: Instituto Paul Scherrer / Mahir Dzambigovic

Implicaciones para la espintrónica

Este tercer hermano magnético ofrece distintas ventajas al campo de desarrollo de la próxima generación de tecnología de memoria magnética, conocida como espintrónica. Mientras que la electrónica sólo utiliza la carga de los electrones, la electrónica de espín también aprovecha el estado de espín de los electrones para transmitir información.

Aunque la espintrónica lleva muchos años prometiendo revolucionar la tecnología de la información, todavía se encuentra en sus primeras etapas. Normalmente, se han utilizado ferromagnetos para tales dispositivos, porque ofrecen algunos fenómenos físicos fuertes dependientes del espín muy deseables. Sin embargo, la magnetización macroscópica neta, útil en muchas otras aplicaciones, impone limitaciones prácticas a la escalabilidad de estos dispositivos porque causa interferencia entre bits, los elementos que transportan información en el almacenamiento de datos.

Recientemente, se han estudiado los antiimanes para la espintrónica, ya que aprovechan la falta de magnetización neta y, por tanto, proporcionan una escalabilidad y eficiencia energética superiores. Sin embargo, los fuertes efectos dependientes del espín que son tan útiles en los ferromagnetos están ausentes, lo que nuevamente dificulta su aplicabilidad práctica.

Aquí entramos en el campo de los imanes alternativos que tienen lo mejor de ambos: magnetización neta cero, además de los fuertes fenómenos dependientes del espín que suelen encontrarse en los ferromagnetos, ventajas que en principio se consideraban incompatibles.

“Ésta es la magia de los imanes alternativos”, afirma Thomas Jungwirth, del Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias, investigador principal del estudio. «Algo que la gente pensaba que era imposible hasta que recientes predicciones teóricas es realmente posible».

Predicciones teóricas y verificación experimental.

Los rumores sobre la existencia de un nuevo tipo de magnetismo comenzaron no hace mucho: en 2019, Jungwirth y sus colegas teóricos de la Academia Checa de Ciencias y la Universidad de Mainz identificaron una clase de materiales magnéticos con una estructura de espín que no se ajusta a las descripciones clásicas. . Ferromagnetismo o antimagnetismo.

En 2022, los teóricos publicaron sus predicciones sobre la existencia de un magnetismo alternativo. Han descubierto más de doscientos candidatos para el magnetismo alternativo en materiales que van desde aislantes hasta SemiconductoresPara metales y superconductores. Muchos de estos materiales eran bien conocidos y explorados extensamente en el pasado, sin que se advirtiera su naturaleza magnética alternativa. Dadas las enormes oportunidades de investigación y aplicación que presenta el magnetismo alternativo, estas predicciones han causado un gran entusiasmo dentro de la comunidad. La búsqueda estaba en curso.

Obtener evidencia experimental directa de la existencia de magnetismo alternativo requiere dilucidar las propiedades únicas de simetría de espín que se esperan en los imanes alternativos. La evidencia se obtuvo mediante espectroscopía de emisión óptica rotacional y angular en SIS (terminal de COPHEE) y las líneas de luz ADRESS de SLS. Esta técnica permitió al equipo visualizar una característica clara en la estructura electrónica de un supuesto imán alternativo: la división de bandas electrónicas correspondientes a diferentes estados de espín, conocida como elevación de la degeneración del espín de Cramer.

El descubrimiento se realizó en cristales de telururo de manganeso, una conocida sustancia simple de dos componentes. Tradicionalmente, el material se ha considerado un ferroimán clásico porque los momentos magnéticos de los átomos de manganeso vecinos apuntan en direcciones opuestas, generando una magnetización neta evanescente.

Sin embargo, los antiimanes no deberían mostrar una alta degeneración del espín de Cramer en el orden magnético, mientras que los ferromagnetos o los imanes sustituyentes sí deberían. Cuando los científicos vieron un aumento en la desintegración del espín de Cramer, acompañado de una magnetización neta que desaparecía, supieron que estaban ante un imán alternativo.

“Gracias a la alta precisión y sensibilidad de nuestras mediciones, pudimos detectar la característica división alterna de los niveles de energía correspondientes a estados de espín opuestos, demostrando así que el telururo de manganeso no es ni un antiferroimán clásico ni un ferroimán clásico, sino que pertenece a la nueva rama del magnetismo alternativo”, dice Juraj Krembaski, científico de líneas de luz del grupo Beamline Optics Group en PSI y primer autor del estudio: “From Magnetic Materials”.

Las líneas de luz que permitieron este descubrimiento ahora han sido desmanteladas, a la espera de una actualización de SLS 2.0. Después de veinte años de ciencia exitosa, la estación final COPHEE estará completamente integrada en la nueva línea de luz «QUEST». «Realizamos estos experimentos con los últimos fotones de luz en COPHEE. Han logrado un avance científico muy importante y es muy impresionante para nosotros», añade Krempaski.

Conclusión y direcciones futuras.

Los investigadores creen que este nuevo descubrimiento fundamental en el magnetismo enriquecerá nuestra comprensión de la física de la materia condensada, al tiempo que impactará diversas áreas de investigación y tecnología. Además de sus ventajas en el campo de la espintrónica avanzada, también proporciona una plataforma prometedora para explorar la superconductividad no convencional, a través de nuevos conocimientos sobre los estados superconductores que pueden surgir en diferentes materiales magnéticos.

«El magnetismo alternativo en realidad no es algo muy complicado. «Es algo bastante fundamental que ha estado delante de nuestros ojos durante décadas sin que nos demos cuenta», dice Jungwirth. «Y no es algo que sólo exista en unos pocos materiales oscuros. Se encuentra en muchos cristales que la gente guardaba en sus cajones. En este sentido, ahora que hemos sacado a la luz esta idea, muchas más personas en todo el mundo podrán trabajar en ella, abriendo la posibilidad de un impacto generalizado.

Referencia: “Levitación magnética de la desintegración del espín de Cramer” 14 de febrero de 2024, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-06907-7