Investigadores de la Universidad de Brown han demostrado experimentalmente cómo surge una forma única de magnetismo en una extraña clase de materiales llamados aislantes Mott. Los hallazgos son un paso hacia una mejor comprensión de los estados cuánticos de estos materiales, que han generado mucho interés entre los científicos en los últimos años.

El estudio, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , ayuda a confirmar un novedoso trabajo teórico que intenta explicar cómo se comportan los electrones en estos extraños materiales. El trabajo se realizó en colaboración con científicos de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético.

"Descubrimos que la teoría se sostiene bien, "dijo Vesna Mitrović, profesor asociado de física en Brown que dirigió el trabajo. "Demuestra que esta nueva teoría, basado en modelos cuánticos que implican interacciones complicadas de espín de electrones, es un buen comienzo para comprender el magnetismo en materiales que interactúan fuertemente ".

Los aisladores Mott son materiales que deberían ser conductores según las teorías tradicionales de conductividad eléctrica, pero actúan como aislantes de todos modos. El estado de aislamiento surge porque los electrones en estos materiales están fuertemente correlacionados y se repelen entre sí. Esa dinámica crea una especie de embotellamiento de electrones, impidiendo que las partículas fluyan para formar una corriente.

Los científicos tienen la esperanza de poder encontrar formas de mover estos materiales dentro y fuera del estado aislante de Mott. que sería útil en el desarrollo de nuevos tipos de dispositivos funcionales. También se ha demostrado que al introducir impurezas en su estructura, algunos aisladores Mott se convierten en superconductores de alta temperatura, materiales que pueden conducir electricidad sin resistencia a temperaturas muy por encima de las que normalmente se requieren para la superconductividad.

A pesar de la promesa de estos materiales, los científicos aún no comprenden completamente cómo funcionan. Una descripción completa de los estados de los electrones en estos materiales ha sido difícil de alcanzar. En el nivel más fundamental, cada electrón individual se caracteriza por su carga y espín, su diminuto momento magnético que apunta hacia arriba o hacia abajo. Es difícil predecir las propiedades de los electrones en los aislantes Mott porque los estados de los electrones están muy correlacionados entre sí:el estado de un electrón influye en los estados de sus vecinos.

Para complicar aún más las cosas, muchos aisladores Mott exhiben lo que se conoce como acoplamiento espín-órbita, lo que significa que el espín de cada electrón cambia a medida que orbita un núcleo atómico. El acoplamiento espín-órbita implica que el momento magnético del electrón se ve afectado por su órbita alrededor de un núcleo atómico, y por lo tanto el espín de un electrón no está bien definido. Por lo tanto, La predicción de las propiedades de estos materiales requiere el conocimiento de las interacciones entre los electrones, mientras que las propiedades fundamentales de los electrones individuales dependen de su movimiento orbital.

"Cuando tienes estas interacciones complejas más el acoplamiento de orden de espín, se convierte en una situación increíblemente complicada de describir teóricamente, ", Dijo Mitrović." Sin embargo, necesitamos esa teoría cuántica fundamental para poder predecir nuevas propiedades cuánticas de materiales complejos y aprovecharlas ".

El estudio de Mitrović se centró en un extraño tipo de magnetismo que surge cuando los aisladores Mott con un fuerte acoplamiento de órbita y espín se enfrían por debajo de una temperatura crítica. El magnetismo surge como resultado de alineaciones entre espines de electrones. Pero en este caso, debido a que los espines interactúan fuertemente y sus valores dependen del movimiento orbital, no se comprende cómo surge este magnetismo en estos materiales.

Hubo un importante intento teórico de mostrar lo que podría estar sucediendo en estos materiales en el nivel más fundamental para provocar este estado magnético. Y eso es lo que Mitrović y sus colegas querían probar.

Los colegas de Mitrović en Stanford comenzaron sintetizando y caracterizando termodinámicamente un material aislante Mott hecho de bario, sodio, osmio y oxígeno, que Mitrović probó utilizando resonancia magnética nuclear. La técnica particular que utilizó el equipo les permitió recopilar información sobre la distribución de cargas de electrones en el material e información sobre el espín de los electrones al mismo tiempo.

El trabajo mostró que a medida que se enfría el material, los cambios en la distribución de las cargas de los electrones provocan una distorsión en los orbitales atómicos y la red del material. A medida que la temperatura se enfría más, esa distorsión impulsa el magnetismo al provocar una alineación de los espines de los electrones dentro de las capas individuales de la red atómica.

"Pudimos determinar la naturaleza exacta de las distorsiones de la carga orbital que precede al magnetismo, así como la alineación exacta de espines en este exótico estado magnético ", dijo Mitrović." En una capa tienes espines alineados en una dirección, y luego, en las capas superior e inferior, los giros se alinean en diferentes direcciones. Eso resulta en un magnetismo débil en general, a pesar del fuerte magnetismo dentro de cada capa ".

La teoría que Mitrović estaba investigando predijo exactamente este magnetismo en capas precedido por distorsiones de carga. Como tal, los hallazgos ayudan a confirmar que la teoría va por buen camino.

El trabajo es un paso importante hacia la comprensión y manipulación de las propiedades de esta interesante clase de materiales para aplicaciones del mundo real. Mitrović dice. En particular, Los materiales con acoplamiento de orden de giro son prometedores para el desarrollo de dispositivos electrónicos que consumen menos energía que los dispositivos ordinarios.

"Si queremos empezar a utilizar estos materiales en dispositivos, necesitamos entender cómo funcionan fundamentalmente, "Dijo Mitrović." De esa manera podemos ajustar sus propiedades para lo que queremos que hagan. Al validar parte del trabajo teórico sobre los aisladores Mott con un fuerte acoplamiento espín-órbita, este trabajo es un paso importante hacia una mejor comprensión ".

En un sentido más amplio, el trabajo es un paso hacia una teoría cuántica del magnetismo más completa.

"Aunque el magnetismo es el fenómeno cuántico más antiguo conocido, descubierto por los antiguos griegos, una teoría cuántica fundamental del magnetismo sigue siendo esquiva, ", Dijo Mitrović." Diseñamos nuestro trabajo para probar una teoría novedosa que intenta explicar cómo surge el magnetismo en materiales exóticos ".