Los expertos han observado un nuevo magnetismo mediante un mecanismo nunca antes visto en ninguna sustancia natural en una lámina automáticamente delgada de semiconductores, que hace que los espines de los electrones se alineen.

Todos los imanes que existen tienen magnetismo por la misma razón, pero ¿qué pasa si existiera otra forma más extraña de hacer que un material sea magnético? Esto fue lo que el físico japonés Yosuke Nagaoka propuso en 1966 de manera hipotética. Pero ahora, un equipo de científicos ha descubierto una versión de dichas predicciones.

El hallazgo se publicó en la revista Nature y marca el último avance en la búsqueda de 50 años del ferromagnetismo de Nagaoka, en el que un material se magnetiza cuando los electrones que contiene minimizan su energía cinética, en contraste con los imanes tradicionales.

El coautor del estudio, Livio Ciorciaro, quien completó el trabajo mientras era candidato a doctorado en el Instituto de Electrónica Cuántica del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich, declaró:

“Es por eso que estoy haciendo este tipo de investigación: puedo aprender cosas que no sabíamos antes, ver cosas que no habíamos visto antes”.

En 2020, los expertos crearon el ferromagnetismo de Nagaoka en un pequeño sistema que tiene solo 3 electrones, uno de los sistemas más pequeños posibles en los que puede ocurrir el fenómeno. En el nuevo estudio, Ciorciaro y sus colegas hicieron que sucediera en un sistema extendido: una estructura estampada llamada red muaré, que se forma a partir de láminas de 2 nanómetros de espesor.

Este es un uso realmente interesante de las redes muaré, que son relativamente nuevas, explicó Juan Pablo Dehollain, coautor del estudio de 2020 que completó el trabajo en la Universidad Tecnológica de Delft. Así que dicho ferromagnetismo de una manera diferente.

Cuando los giros paralelos hacen que comience un campo

El ferromagnetismo tradicional surge porque los electrones no se quieren encontrar. Si imaginamos dos electrones sentados uno al lado del otro, se repelen porque tienen cargas eléctricas negativas. Su estado de menor energía los encontrará muy separados. Y los sistemas, por regla general, se asientan en su estado de menor energía.

Según la mecánica cuántica, los electrones tienen algunas otras propiedades críticas. En primer lugar, se comportan menos como puntos individuales y más como nubes de niebla probabilísticas. En segundo lugar, tienen una propiedad cuántica llamada espín, que es algo así como un imán interno que puede apuntar hacia arriba y hacia abajo. Y por último, dos electrones no pueden estar en el mismo estado cuántico.

Por consecuencia, los electrones que tienen el mismo espín realmente querrán alejarse unos de otros: si están en el mismo lugar, con el mismo espín, corren el riesgo de ocupar el mismo estado cuántico. Los electrones superpuestos con espines paralelos permanecen ligeramente más separados de lo que estarían de otra manera.

Cuando hay un campo magnético externo, el fenómeno puede ser lo suficientemente fuerte como para engatusar a los espines de los electrones para que se alineen como pequeñas barras magnéticas, creando un campo magnético macroscópico dentro del material. En metales como el hierro, estas interacciones electrónicas, llamadas interacciones de intercambio, son tan fuertes que la magnetización inducida es permanente, siempre y cuando el metal no se caliente demasiado.

En presencia de un campo magnético externo, este fenómeno puede ser lo suficientemente fuerte como para engatusar a los espines de los electrones para que se alineen como pequeñas barras magnéticas, creando un campo magnético macroscópico dentro del material. En metales como el hierro, estas interacciones electrónicas, llamadas interacciones de intercambio, son tan potentes que la magnetización inducida es permanente, siempre y cuando el metal no se caliente demasiado.

Pero como lo teorizó Nagaoka en los 60, las interacciones de intercambio pueden no ser la única forma de hacer que un material sea magnético. El japonés imaginó una red cuadrada bidimensional donde cada sitio de la red tenía un electrón. Luego descubrió qué pasaría si se eliminara uno en determinadas condiciones. A medida que los electrones restantes de la red interactuaban, el agujero donde estaba el electrón faltante se deslizaría alrededor de la red.

En el escenario de Nagaoka, la energía general de la red estaría en su nivel más bajo cuando todos los espines de sus electrones estuvieran alineados. Cada configuración electrónica tendría el mismo aspecto y a su vez, harían que el material fuera ferromagnético.

Dos cuadrículas con un giro forman un patrón

El equipo intuyó que podían crear dicho magnetismo experimentando con láminas de átomos de una sola capa que podían apilarse para formar un intrincado patrón muaré. En materiales en capas atómicamente delgados, los patrones muaré pueden alterar radicalmente el comportamiento de los electrones y, por tanto, de los materiales.

Los investigadores empezaron sintetizando un material a partir de monocapas de semiconductores diseleniuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno, que pertenecen a una clase de materiales que simulaciones anteriores habían implicado que podían exhibir magnetismo al estilo Nagaoka. Después aplicaron campos magnéticos débiles de diferentes intensidades al material muaré mientras rastreaban cuántos espines de electrones del material se alineaban con los campos.

Luego, los investigadores repitieron las mediciones aplicando diferentes voltajes a través del material, lo que cambió la cantidad de electrones que había en la red muaré. Ahí encontraron algo extraño: el material era más propenso a alinearse con un campo magnético externo (es decir, a comportarse de manera más ferromagnética) solo cuando tenía hasta un 50% 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 ver si el ferromagnetismo estándar de Nagaoka hubiera estado funcionando.

Pero el material era magnetizante, las interacciones de intercambio no parecían impulsarlo. Sin embargo, las versiones más simples de la teoría de Nagaoka tampoco explicaban completamente sus propiedades magnéticas.

Logrando el magnetismo

Al final del experimento, 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, uniendo sus destinos. En el material del equipo, una vez que hubo más electrones en la red muaré que sitios de la red, la energía del material disminuyó cuando los electrones adicionales se deslocalizaron. Luego se emparejaron fugazmente con electrones en la red para formar combinaciones de dos electrones llamadas doblones.

Esos electrones adicionales itinerantes 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. Mientras el material perseguía implacablemente su estado de menor energía, el resultado final fue que los doblones tendían a crear pequeñas regiones ferromagnéticas localizadas. Hasta cierto umbral, cuantos más doblones atraviesan una red, más ferromagnético se vuelve el material.

Obviamente, no podrás colocar ferroimanes cinéticos en el refrigerador muy pronto, a menos que cocines en uno de los lugares más fríos del universo. Los expertos evaluarán el comportamiento ferromagnético del material muaré a unos gélidos 140 mikelvins.

Aun así, la sustancia revela nuevas e interesantes vías para investigar el comportamiento de los electrones en sólidos y otras aplicaciones. También quieren explorar si mecanismos cinéticos como los que están en juego dentro del material muaré podrían usarse para manipular partículas cargadas para que se apareen, señalando potencialmente el camino hacia un nuevo mecanismo para la superconductividad.

Y de esta forma, se ha descubierto una nueva magnetización que antes, se creía que era teórica y ahora abre todo un mundo de aplicaciones, aunque aún falta mucho para llegar a ese punto.