Una ilustración de la transición metamagnética escalonada de un nuevo material cuántico descubierto en el laboratorio de la física de Rice, Emilia Morosan. Crédito:Macy Stavinoha / Rice University
Hay un bicho raro en la mayoría de las familias pero la física de la Universidad de Rice, Emilia Morosan, ha descubierto todo un clan de compuestos excéntricos que podrían ayudar a explicar el misterioso funcionamiento electrónico y magnético de otros ingenieros de materiales cuánticos que buscan computadoras y electrónicos de próxima generación.
Morosan y 30 coautores describen el primer miembro de la familia:una "celosía semimetálica de Kondo" hecha de iterbio, rodio y silicio en una proporción de 1 a 3 a 7, en un estudio publicado esta semana en la revista American Physical Society Revisión física X ( PRX ). El artículo describe dos propiedades de YbRh 3 Si 7 - efectos de "metamagnetismo" y "Kondo de baja portadora", que rara vez se han medido anteriormente en el mismo material.
Morosan, cuyo laboratorio se especializa en el diseño, descubrimiento y síntesis de materiales cuánticos, creó la nueva familia de 1-3-7 con el apoyo de la Iniciativa de Fenómenos Emergentes en Sistemas Cuánticos (EPiQS) de la Fundación Gordon y Betty Moore. Ella dijo que se habían descrito pocos 1-3-7 en la literatura científica antes de su investigación financiada por Moore. De los varios compuestos de la familia 1-3-7 descubiertos por su grupo, cuatro son magnéticos, tres están basados en iterbio y "cada uno es más sorprendente que el anterior, " ella dijo.
"Primero, esto nos da la oportunidad de comprender todos estos, por ellos mismos, y luego entenderlos en relación entre sí, "dijo Morosan, quien fue nombrado Investigador de Síntesis de Materiales EPiQS de la Fundación Moore en 2014. "Por ejemplo, las diferencias estructurales y químicas entre estos son muy pequeñas. Los parámetros de la red son casi idénticos. Por tanto, cabría esperar que los cambios físicos fueran mínimos en estos compuestos relacionados, pero estamos encontrando propiedades magnéticas y de transporte dramáticamente diferentes. Si podemos entender por qué sucede eso en esta familia, podría permitirnos buscar compuestos con las propiedades que deseamos ".
En YbRh 3 Si 7 y todos los demás cristales, los átomos están dispuestos de forma ordenada. Cada cristal tiene su propio patrón estructural característico, o celosía. En cristales que contienen elementos magnéticos como hierro o iterbio, la disposición ordenada de los átomos en una red a menudo va de la mano con el orden magnético.
Por ejemplo, cada electrón actúa como una pequeña barra magnética giratoria, con un polo magnético positivo y negativo en cada extremo de su eje de rotación. El momento magnético del electrón se refiere a la dirección en la que apunta el eje de giro, y en elementos como el hierro y el iterbio, cada uno de los cuales contiene muchos electrones, los átomos pueden tener un fuerte momento magnético colectivo. En los ferroimanes, los materiales adheridos a innumerables refrigeradores y automóviles, todos estos momentos magnéticos apuntan en una dirección. En antiferromagnetos, como YbRh 3 Si 7 , la mitad de los momentos apuntan en una dirección y la otra mitad apuntan en la dirección opuesta.
Las empresas de tecnología están cada vez más interesadas en utilizar el giro en dispositivos de estado sólido. Espintrónica, un movimiento creciente, se dedica a crear tecnologías basadas en espines para la transferencia de datos, almacenamiento y cálculo de datos, incluyendo fundamentalmente nuevos tipos de chips para computadoras cuánticas.
Para aquellos que estudian nuevos materiales magnéticos, como YbRh 3 Si 7 , una forma de sondear el orden magnético es persuadir a los momentos para que apunten en otra dirección en respuesta a un campo magnético externo. Midiendo la cantidad de energía de campo necesaria para cambiar la dirección en la que apuntan los momentos magnéticos, Los físicos pueden aprender mucho sobre el papel que juega la red cristalina en cómo se expresan los momentos magnéticos.
En la mayoría de los materiales, los momentos magnéticos de los átomos rotan gradualmente hacia la dirección del campo externo a medida que aumenta la intensidad. En metamagnetos, las fuerzas del campo de cristal ejercen una atracción tal que los momentos permanecen bloqueados en su lugar, incluso cuando se aplica un campo externo. Pero cuando la energía del campo alcanza un nivel crítico, todos los momentos encajan instantáneamente en una nueva disposición que está más alineada con el campo. Si la intensidad del campo aumenta lo suficiente, los momentos se pueden alinear con el campo, pero "solo a través de esta progresión de cambios escalonados que recuerdan a la escalera del diablo, "Dijo Morosan.
El hallazgo de las transiciones metamagnéticas fue la primera pista de que algo extraño estaba funcionando en la estructura cristalográfica de YbRh. 3 Si 7 .
"Hay muy pocos ejemplos de metamagnetismo en compuestos a base de iterbio, "dijo el coautor del estudio, Macy Stavinoha, estudiante de posgrado en el grupo de Morosan. "Esa transición nos llevó a mirar la estructura magnética subyacente, lo cual fue bastante complicado. Tuvimos que usar una variedad de técnicas para confirmar lo que estaba involucrado ".
La odisea experimental de ocho años para descifrar el orden magnético del material fue dirigida por el ex Ph.D. estudiante y coautor Binod Rai e incluyó viajes al Laboratorio Nacional Oak Ridge de Tennessee, Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Maryland, el Laboratorio Rutherford Appleton del Reino Unido, Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético de Florida y Laboratorio Nacional de Los Alamos de Nuevo México.
Morosan dijo que los experimentos ayudaron a su equipo a descifrar la confusa competencia de fuerzas:estructurales, electrónico y magnético:en juego en YbRh 3 Si 7 .
"No había nada simple, en el sentido de que podrías sentarte, mirar los datos de un experimento y decir inmediatamente lo que estaba pasando, " ella dijo.
Por ejemplo, experimentos demostraron que las transiciones metamagnéticas en YbRh 3 Si 7 Ocurrió en campos más bajos cuando el campo magnético se aplica perpendicular a la dirección del momento de campo cero. Esto contrasta con las transiciones metamagnéticas en casi todos los demás compuestos a base de iterbio, que ocurren cuando el campo aplicado es paralelo a la dirección del momento. Morosan dijo que esto apunta a un delicado equilibrio entre las diferentes escalas de energía en YbRh 3 Si 7 .
Otro ejemplo de escalas de energía en competencia en el material se puede ver en la interacción mejorada entre los momentos magnéticos y los electrones de conducción. Esta interacción, conocido como "proyección de Kondo, "surge cuando los electrones portadores, las partículas que fluyen en la corriente eléctrica, interactúan con electrones alineados magnéticamente en los átomos de iterbio. Stavinoha dijo que es desconcertante porque YbRh 3 Si 7 tiene una menor densidad de electrones portadores que la mayoría de los materiales Kondo conocidos.
"Rara vez se encuentran varios sistemas Kondo en una familia de compuestos isoestructurales, "Dijo Stavinoha." En la familia 1-3-7, Descubrimos tres de estos sistemas Kondo con distintas propiedades magnéticas y electrónicas. Esa combinación de similitud estructural y disimilitud de propiedades físicas presenta una gran oportunidad para los estudios comparativos ".
