El material se comporta como si estuvieran presentes monopolos magnéticos. Crédito:Universidad Tecnológica de Viena
La corriente eléctrica es desviada por un campo magnético, en materiales conductores, esto conduce al llamado efecto Hall. Este efecto se usa a menudo para medir campos magnéticos. Ahora se ha hecho un descubrimiento sorprendente en TU Wien, en colaboración con científicos del Instituto Paul Scherrer (Suiza), Universidad McMater (Canadá), y Rice University (EE. UU.):un metal exótico hecho de cerio, Se examinó el bismuto y el paladio y se descubrió que el material producía un efecto Hall gigante, en ausencia total de cualquier campo magnético. La razón de este resultado inesperado radica en las propiedades inusuales de los electrones:se comportan como si los monopolos magnéticos estuvieran presentes en el material. Estos descubrimientos ahora se han publicado en la revista científica PNAS .
Un voltaje perpendicular a la corriente.
Cuando una corriente eléctrica fluye a través de una tira de metal, los electrones se mueven de un lado a otro. Si se coloca un imán junto a esta tira, una fuerza actúa sobre los electrones, la llamada fuerza de Lorentz. El camino de los electrones a través de la tira de metal ya no es recto, está un poco doblado. Por lo tanto, ahora hay más electrones en un lado de la tira de metal que en el otro, y esto crea un voltaje, perpendicular a la dirección en la que fluye la corriente. Este es el efecto Hall clásico, como se conoce desde hace muchos años.
"Medir la fuerza del efecto Hall es una de las formas en que caracterizamos los materiales en nuestro laboratorio, ", dice la profesora Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido en TU Wien." Se puede aprender mucho sobre el comportamiento de los electrones en el estado sólido a partir de un experimento de este tipo ". Cuando Sami Dzsaber, que estaba trabajando en su disertación en el grupo de investigación de Bühler-Paschen, examinó el material Ce 3 Bi 4 Pd 3 , se tomó muy en serio su tarea y también realizó una medición sin campo magnético. "Realmente, esta es una idea inusual, pero en este caso fue el paso decisivo, "dice Silke Bühler-Paschen.
La medición reveló que el material exhibe un efecto Hall incluso sin un campo magnético externo, y no solo un efecto Hall normal, pero uno enorme. En materiales normales, un efecto Hall de esta fuerza solo puede producirse con enormes bobinas electromagnéticas. "Así que tuvimos que responder a otra pregunta, ", dice Silke Bühler Paschen." Si se produce un efecto Hall sin un campo magnético externo, ¿Quizás estamos tratando con campos magnéticos locales extremadamente fuertes que ocurren a escala microscópica dentro del material, pero ya no se puede sentir afuera? "
Por lo tanto, se llevaron a cabo investigaciones en el Instituto Paul Scherrer en Suiza:con la ayuda de muones, partículas elementales que son particularmente adecuadas para investigar fenómenos magnéticos, el material se examinó más de cerca. Pero resultó que no se pudo detectar ningún campo magnético ni siquiera a escala microscópica. "Si no hay campo magnético, entonces tampoco hay fuerza de Lorentz que pueda actuar sobre los electrones del material, pero no obstante se midió un efecto Hall. Eso es realmente notable "dice Silke Bühler-Paschen.
La simetría es lo que cuenta
La explicación de este extraño fenómeno radica en la complicada interacción de los electrones. "Los átomos de este material están dispuestos de acuerdo con simetrías muy específicas, y estas simetrías determinan la denominada relación de dispersión, es decir, la relación entre la energía de los electrones y su momento. La relación de dispersión nos dice qué tan rápido puede moverse un electrón cuando tiene cierta energía, ", dice Bühler-Paschen." También es importante tener en cuenta que no se pueden mirar los electrones individualmente aquí, hay fuertes interacciones mecánicas cuánticas entre ellos ".
Esta compleja interacción da como resultado fenómenos que matemáticamente parecen como si hubiera monopolos magnéticos en el material, es decir. solitarios polos norte y sur, que no existen en esta forma en la naturaleza. "Pero en realidad tiene el efecto de un campo magnético muy fuerte en el movimiento de los electrones, "dice Bühler-Paschen.
El efecto ya se había predicho teóricamente para materiales más simples, pero nadie había podido probarlo. El gran avance llegó con la investigación de una nueva clase de materiales:"Nuestro material con la composición química Ce 3 Bi 4 Pd 3 se caracteriza por una interacción particularmente fuerte entre los electrones, "explica Bühler-Paschen." Esto se conoce como el efecto Kondo. Hace que estos monopolos magnéticos ficticios tengan exactamente la energía adecuada para influir extremadamente fuerte en los electrones de conducción en el material. Esta es la razón por la que el efecto es más de mil veces mayor de lo que se predice teóricamente ".
El nuevo efecto Hall espontáneo gigante tiene cierto potencial para las tecnologías cuánticas de próxima generación. En este campo, por ejemplo, son importantes los elementos no recíprocos que producen una dispersión dependiente de la dirección sin un campo magnético externo; podrían realizarse con este efecto. "El comportamiento extremadamente no lineal del material también es de gran interés, ", dice Silke Bühler-Paschen." El hecho de que los fenómenos complejos de muchas partículas en los sólidos den lugar a posibilidades de aplicación inesperadas hace que este campo de investigación sea particularmente interesante ".
