Los campos de la física de la materia condensada y la ciencia de los materiales están íntimamente relacionados porque a menudo se descubre nueva física en materiales con disposiciones especiales de átomos. Cristales, que tienen unidades repetidas de átomos en el espacio, puede tener patrones especiales que dan como resultado propiedades físicas exóticas. Particularmente emocionantes son los materiales que albergan múltiples tipos de propiedades exóticas porque brindan a los científicos la oportunidad de estudiar cómo esas propiedades interactúan e influyen entre sí. Las combinaciones pueden dar lugar a fenómenos inesperados y alimentar años de investigación básica y tecnológica.

En un nuevo estudio publicado en Avances de la ciencia esta semana, un equipo internacional de científicos de EE. UU., Columbia, República Checa, Inglaterra, y dirigido por el Dr. Mazhar N. Ali en el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras en Alemania, ha demostrado que un nuevo material, KV ₃ Sb ₅ , tiene una combinación de propiedades nunca antes vista que da como resultado uno de los efectos Hall anómalos (AHE) más grandes jamás observados; 15, 500 siemens por centímetro a 2 Kelvin.

Descubierto en el laboratorio del coautor, el profesor Tyrel McQueen en la Universidad Johns Hopkins, KV ₃ Sb ₅ combina cuatro propiedades en un solo material:la física de Dirac, magnetismo frustrado metálico, Exfoliabilidad 2-D (como el grafeno), y estabilidad química.

Física de Dirac, en este contexto, se relaciona con el hecho de que los electrones en KV ₃ Sb ₅ no son solo sus electrones normales y corrientes; se mueven extremadamente rápido con una masa efectiva muy baja. Esto significa que están actuando "como la luz"; sus velocidades se están volviendo comparables a la velocidad de la luz y se comportan como si tuvieran solo una pequeña fracción de la masa que deberían tener. Esto da como resultado que el material sea altamente metálico y se mostró por primera vez en grafeno hace unos 15 años.

El 'magnetismo frustrado' surge cuando los momentos magnéticos en un material (imagina pequeños imanes de barra que intentan girar entre sí y alinearse de norte a sur cuando los unes) están dispuestos en geometrías especiales, como redes triangulares. Este escenario puede dificultar que los imanes de barra se alineen de manera que todos se cancelen entre sí y sean estables. Los materiales que exhiben esta propiedad son raros, especialmente los metálicos. La mayoría de los materiales magnéticos frustrados son aislantes eléctricos, lo que significa que sus electrones están inmóviles. "Los imanes metálicos frustrados han sido muy buscados durante varias décadas. Se ha predicho que albergarán superconductividad no convencional, Fermiones de Majorana, ser útil para la computación cuántica, y más, "comentó el Dr. Ali.

Estructuralmente KV ₃ Sb ₅ tiene un 2-D, estructura en capas donde las capas triangulares de vanadio y antimonio se apilan libremente sobre las capas de potasio. Esto permitió a los autores simplemente usar cinta adhesiva para despegar algunas capas (también conocidas como copos) a la vez. "Esto fue muy importante porque nos permitió usar la litografía por haz de electrones (como la fotolitografía que se usa para hacer chips de computadora, pero usando electrones en lugar de fotones) para hacer pequeños dispositivos a partir de las escamas y medir propiedades que las personas no pueden medir fácilmente a granel ". comentó el autor principal, Shuo-Ying Yang, del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras. "Estábamos emocionados de descubrir que las escamas eran bastante estables al proceso de fabricación, lo que hace que sea relativamente fácil trabajar y explorar muchas propiedades ".

Armados con esta combinación de propiedades, El equipo primero eligió buscar un efecto Hall anómalo (AHE) en el material. Este fenómeno es donde los electrones en un material con un campo eléctrico aplicado (pero sin campo magnético) pueden desviarse 90 grados por varios mecanismos. "Se había teorizado que los metales con arreglos de espín triangular podrían albergar un efecto extrínseco significativo, así que fue un buen lugar para comenzar, "señaló Yang. Utilizando espectroscopía de fotoelectrones con resolución de ángulo, fabricación de microdispositivos, y un sistema electrónico de medición de propiedades de baja temperatura, Shuo-Ying y el coautor principal Yaojia Wang (Instituto Max Planck de Física de Microestructuras) pudieron observar uno de los AHE más grandes jamás vistos.

El AHE se puede dividir en dos categorías generales:intrínseco y extrínseco. "El mecanismo intrínseco es como si un jugador de fútbol le hiciera un pase a su compañero doblando el balón, o electrón, alrededor de algunos defensores (sin que choque con ellos), ", explicó Ali." Extrínseco es como la pelota que rebota en un defensor, o centro de dispersión magnética, y yendo hacia un lado después de la colisión. Muchos materiales dominados extrínsecamente tienen una disposición aleatoria de defensores en el campo, o centros de dispersión magnética diluidos aleatoriamente en todo el cristal. KV ₃ Sb ₅ es especial porque tiene grupos de 3 centros de dispersión magnéticos dispuestos en una red triangular. En este escenario, el balón sale disparado del grupo de defensores, en lugar de uno solo, y es más probable que se vaya a un lado que si solo hubiera uno en el camino ".

Este es esencialmente el mecanismo AHE teorizado de dispersión sesgada de grupos de espines que fue demostrado por los autores en este material. "Sin embargo, la condición con la que la pelota que llega golpea el grupo parece importar; tú o yo pateando la pelota no es lo mismo que si, decir, Christiano Ronaldo pateó la pelota, ", agregó Ali." Cuando Ronaldo lo patea, se mueve mucho más rápido y rebota en el grupo con mucha más velocidad, moviéndose hacia un lado más rápido que si cualquier persona promedio lo hubiera pateado. Este es, vagamente hablando, la diferencia entre las cuasipartículas de Dirac (Ronaldo) en este material frente a los electrones normales (persona promedio) y está relacionada con por qué vemos un AHE tan grande, "Ali explicó riendo.

Estos resultados también pueden ayudar a los científicos a identificar otros materiales con esta combinación de ingredientes. "En tono rimbombante, la misma física que rige este AHE también podría impulsar un efecto Hall de giro muy grande (SHE), donde en lugar de generar una corriente de carga ortogonal, se genera una corriente de espín ortogonal, ", comentó Wang." Esto es importante para las tecnologías informáticas de próxima generación basadas en el giro de un electrón en lugar de su carga ".

"Este es un nuevo material de juegos para nosotros:física de Dirac metálica, magnetismo frustrado, exfoliante, y químicamente estable todo en uno. Hay muchas oportunidades para explorar la diversión, fenómenos extraños, como superconductividad no convencional y más, "dijo Ali, emocionado.