Los investigadores han identificado una nueva forma de magnetismo en el llamado grafeno magnético, lo que podría señalar el camino hacia la comprensión de la superconductividad en este tipo de material inusual.

Los investigadores, dirigido por la Universidad de Cambridge, pudieron controlar la conductividad y el magnetismo del tiofosfato de hierro (FePS ₃ ), un material bidimensional que sufre una transición de un aislante a un metal cuando se comprime. Esta clase de materiales magnéticos ofrece nuevas rutas para comprender la física de nuevos estados magnéticos y superconductividad.

Usando nuevas técnicas de alta presión, Los investigadores han demostrado lo que le sucede al grafeno magnético durante la transición de aislante a conductor y a su estado metálico no convencional. realizado solo en condiciones de presión ultra alta. Cuando el material se vuelve metálico, permanece magnético, lo cual es contrario a los resultados anteriores y proporciona pistas sobre cómo funciona la conducción eléctrica en la fase metálica. La fase magnética de alta presión recién descubierta probablemente forma un precursor de la superconductividad, por lo que comprender sus mecanismos es vital.

Sus resultados, publicado en la revista Revisión física X , también sugieren una forma en que los nuevos materiales podrían diseñarse para tener propiedades de conducción y magnéticas combinadas, que podría ser útil en el desarrollo de nuevas tecnologías como la espintrónica, lo que podría transformar la forma en que las computadoras procesan la información.

Las propiedades de la materia pueden alterarse drásticamente con el cambio de dimensionalidad. Por ejemplo, grafeno nanotubos de carbon, el grafito y el diamante están hechos de átomos de carbono, pero tienen propiedades muy diferentes debido a su diferente estructura y dimensionalidad.

"Pero imagina que también pudieras cambiar todas estas propiedades agregando magnetismo, "dijo el primer autor, el Dr. Matthew Coak, que trabaja conjuntamente en el Laboratorio Cavendish de Cambridge y la Universidad de Warwick. "Un material que podría ser mecánicamente flexible y formar un nuevo tipo de circuito para almacenar información y realizar cálculos. Por eso estos materiales son tan interesantes, y porque cambian drásticamente sus propiedades cuando se les somete a presión para que podamos controlar su comportamiento ".

En un estudio anterior de Sebastian Haines del Laboratorio Cavendish de Cambridge y el Departamento de Ciencias de la Tierra, Los investigadores establecieron que el material se convierte en metal a alta presión, y describió cómo la estructura cristalina y la disposición de los átomos en las capas de este material 2-D cambian a través de la transición.

"La pieza que falta se ha mantenido sin embargo, el magnetismo, "dijo Coak." Sin técnicas experimentales capaces de sondear las firmas del magnetismo en este material a presiones tan altas, nuestro equipo internacional tuvo que desarrollar y probar nuestras propias técnicas nuevas para hacerlo posible ".

Los investigadores utilizaron nuevas técnicas para medir la estructura magnética hasta altas presiones récord, utilizando neutrones y yunques de diamante especialmente diseñados para actuar como sonda del magnetismo. Luego pudieron seguir la evolución del magnetismo hacia el estado metálico.

"Para nuestra sorpresa, Descubrimos que el magnetismo sobrevive y de alguna manera se fortalece, "el coautor Dr. Siddharth Saxena, líder de grupo en el Laboratorio Cavendish. "Esto es inesperado, dado que los electrones que se desplazan libremente en un material de nueva conducción ya no pueden estar unidos a sus átomos de hierro parentales, generando momentos magnéticos allí, a menos que la conducción provenga de una fuente inesperada ".

En su artículo anterior, los investigadores demostraron que estos electrones estaban "congelados" en cierto sentido. Pero cuando los hacían fluir o moverse, empezaron a interactuar cada vez más. El magnetismo sobrevive, pero se modifica en nuevas formas, dando lugar a nuevas propiedades cuánticas en un nuevo tipo de metal magnético.

Cómo se comporta un material, ya sea conductor o aislante, se basa principalmente en cómo los electrones, o cobrar, moverse. Sin embargo, Se ha demostrado que el "giro" de los electrones es la fuente del magnetismo. El giro hace que los electrones se comporten un poco como pequeños imanes de barra y apunten en cierta dirección. El magnetismo de la disposición de los espines de los electrones se utiliza en la mayoría de los dispositivos de memoria:aprovecharlo y controlarlo es importante para desarrollar nuevas tecnologías como la espintrónica, lo que podría transformar la forma en que las computadoras procesan la información.

"La combinación de los dos, la carga y el giro, es clave para el comportamiento de este material, "dijo el coautor Dr. David Jarvis del Institut Laue-Langevin, Francia, quien realizó este trabajo como base de su doctorado. estudios en el Laboratorio Cavendish. "Encontrar este tipo de multifuncionalidad cuántica es otro paso adelante en el estudio de estos materiales".

"No sabemos exactamente qué está sucediendo a nivel cuántico, pero al mismo tiempo, podemos manipularlo, "dijo Saxena." Es como esas famosas 'incógnitas desconocidas':hemos abierto una nueva puerta a las propiedades de la información cuántica, pero aún no sabemos cuáles podrían ser esas propiedades ".

Hay más compuestos químicos potenciales para sintetizar de los que jamás se podrían explorar y caracterizar por completo. Pero seleccionando y ajustando cuidadosamente materiales con propiedades especiales, es posible mostrar el camino hacia la creación de compuestos y sistemas, pero sin tener que aplicar mucha presión.

Adicionalmente, Obtener una comprensión fundamental de fenómenos como el magnetismo de baja dimensión y la superconductividad permite a los investigadores dar los siguientes pasos en la ciencia y la ingeniería de materiales. con especial potencial en eficiencia energética, Generación y almacenamiento.

En cuanto al caso del grafeno magnético, a continuación, los investigadores planean continuar la búsqueda de superconductividad dentro de este material único. "Ahora que tenemos una idea de lo que le sucede a este material a alta presión, podemos hacer algunas predicciones sobre lo que podría suceder si tratamos de ajustar sus propiedades agregando electrones libres comprimiéndolo aún más, "dijo Coak.

"Lo que perseguimos es la superconductividad, "dijo Saxena." Si podemos encontrar un tipo de superconductividad que esté relacionada con el magnetismo en un material bidimensional, podría darnos una oportunidad de resolver un problema que se remonta a décadas ".