En muchos materiales, resistencia eléctrica y cambio de voltaje en presencia de un campo magnético, por lo general, varía suavemente a medida que gira el campo magnético. Esta simple respuesta magnética es la base de muchas aplicaciones, incluida la detección de corriente sin contacto, detección de movimiento, y almacenamiento de datos. En un cristal la forma en que la carga y el giro de sus electrones se alinean e interactúan subyace a estos efectos. Utilizando la naturaleza de la alineación, llamado simetría, es un ingrediente clave en el diseño de un material funcional para la electrónica y el campo emergente de la electrónica basada en espines (espintrónica).

Recientemente, un equipo de investigadores del MIT, el Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas (CNRS) y École Normale Supérieure (ENS) de Lyon, Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB), la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST), y el Centro de Investigación de Neutrones del NIST, dirigido por Joseph G. Checkelsky, profesor asistente de física en el MIT, ha descubierto un nuevo tipo de respuesta eléctrica impulsada magnéticamente en un cristal compuesto de cerio, aluminio, germanio, y silicio.

A temperaturas inferiores a 5,6 kelvin (correspondientes a -449,6 grados Fahrenheit), estos cristales muestran una fuerte mejora de la resistividad eléctrica cuando el campo magnético se alinea con precisión dentro de un ángulo de 1 grado a lo largo de la dirección de alta simetría del cristal. Este efecto, que los investigadores han denominado "magnetorresistencia angular singular, "puede atribuirse a la simetría, en particular, el orden de los momentos magnéticos de los átomos de cerio. Sus resultados se publican hoy en la revista Ciencias .

Respuesta y simetría novedosas

Como un reloj anticuado diseñado para sonar a las 12:00 y en ninguna otra posición de las manecillas, la magnetorresistencia recién descubierta solo ocurre cuando la dirección, o vector, del campo magnético apunta directamente en línea con el eje de alta simetría en la estructura cristalina del material. Gire el campo magnético a más de un grado de ese eje y la resistencia caerá precipitadamente.

"En lugar de responder a los componentes individuales del campo magnético como un material tradicional, aquí el material responde a la dirección absoluta del vector, "dice Takehito Suzuki, un científico investigador del grupo Checkelsky que sintetizó estos materiales y descubrió el efecto. "La mejora aguda observada, que llamamos magnetorresistencia angular singular, implica un estado distinto realizado sólo bajo esas condiciones ".

La magnetorresistencia es un cambio en la resistencia eléctrica de un material en respuesta a un campo magnético aplicado. Un efecto relacionado conocido como magnetorresistencia gigante es la base de los discos duros de las computadoras modernas y sus descubridores fueron galardonados con el Premio Nobel en 2007.

“La mejora observada está tan confinada con el campo magnético a lo largo del eje cristalino en este material que sugiere fuertemente que la simetría juega un papel crítico, "Lucile Savary, investigador permanente del CNRS en ENS de Lyon, agrega. Savary fue becaria postdoctoral de Betty y Gordon Moore en el MIT de 2014 a 2017, cuando el equipo empezó a colaborar.

Para dilucidar el papel de la simetría, es crucial ver la alineación de los momentos magnéticos, por lo que Suzuki y Jeffrey Lynn, Compañero de NIST, realizó estudios de difracción de neutrones en polvo en el espectrómetro de triple eje BT-7 en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST (NCNR). El equipo de investigación utilizó las capacidades de difracción de neutrones del NCNR para determinar la estructura magnética del material. que juega un papel esencial en la comprensión de sus propiedades topológicas y la naturaleza de los dominios magnéticos. Un "estado topológico" es aquel que está protegido del desorden ordinario. Este fue un factor clave para desentrañar el mecanismo de la respuesta singular.

Basado en el patrón de ordenamiento observado, Savary y Leon Balents, profesor y miembro permanente del Instituto Kavli de Física Teórica de la UCSB, construyó un modelo teórico donde la ruptura espontánea de la simetría causada por el ordenamiento del momento magnético se acopla al campo magnético y la estructura electrónica topológica. Como consecuencia del acoplamiento, El cambio entre los estados de resistividad alta y baja ordenados uniformemente se puede manipular mediante el control preciso de la dirección del campo magnético.

"La concordancia del modelo con los resultados experimentales es sobresaliente y fue la clave para comprender lo que fue una misteriosa observación experimental, "dice Checkelsky, el autor principal del artículo.

Universalidad del fenómeno

"La pregunta interesante aquí es si la magnetorresistencia angular singular se puede observar ampliamente en materiales magnéticos y, si esta característica se puede observar de forma ubicua, ¿Cuál es el ingrediente clave para diseñar los materiales con este efecto? "Dice Suzuki.

El modelo teórico indica que la respuesta singular se puede encontrar de hecho en otros materiales y predice propiedades materiales beneficiosas para realizar esta característica. Uno de los ingredientes importantes es una estructura electrónica con una pequeña cantidad de cargos gratuitos, que se produce en una estructura electrónica en forma de punto denominada nodal. El material de este estudio tiene los llamados puntos Weyl que logran esto. En tales materiales, los momentos de electrones permitidos dependen de la configuración del orden magnético. Tal control de los momentos de estas cargas por el grado de libertad magnética permite que el sistema admita regiones de interfaz conmutables donde los momentos no coinciden entre dominios de diferente orden magnético. Este desajuste también conduce al gran aumento de la resistencia observado en este estudio.

Este análisis está respaldado por el cálculo de la estructura electrónica de los primeros principios realizado por Jianpeng Liu, profesor asistente de investigación en el HKUST, y Balents. Utilizando elementos magnéticos más tradicionales como el hierro o el cobalto, en lugar de cerio de tierras raras, puede ofrecer un camino potencial para la observación de temperaturas más altas del efecto de magnetorresistencia angular singular. El estudio también descartó un cambio en la disposición de los átomos, llamada transición de fase estructural, como causa del cambio de resistividad del material a base de cerio.

Kenneth Burch, director del programa de posgrado y profesor asociado de física en Boston College, cuyo laboratorio investiga los materiales de Weyl, notas:"El descubrimiento de una notable sensibilidad al ángulo magnético es un fenómeno completamente inesperado en esta nueva clase de materiales. Este resultado sugiere no solo nuevas aplicaciones de los semimetales de Weyl en la detección magnética, pero el acoplamiento único del transporte electrónico, quiralidad y magnetismo ". La quiralidad es un aspecto de los electrones relacionado con su espín que les da una orientación hacia la izquierda o hacia la derecha.

El descubrimiento de este pico de resistencia agudo pero estrechamente confinado podría eventualmente ser utilizado por los ingenieros como un nuevo paradigma para los sensores magnéticos. Notas Checkelsky, "Uno de los aspectos más interesantes de los descubrimientos fundamentales en el magnetismo es el potencial de adopción rápida de nuevas tecnologías. Con los principios de diseño ahora en la mano, estamos lanzando una amplia red para encontrar este fenómeno en sistemas más robustos para desbloquear este potencial ".