Este cristal "semimetal" consta de celdas unitarias repetidas como la de la izquierda, que tiene una tapa cuadrada y lados rectangulares. Las esferas representan silicio (violeta), aluminio (turquesa), y - en oro - átomos de neodimio (Nd), los últimos de los cuales son magnéticos. Comprender las propiedades magnéticas especiales del material requiere nueve de estas celdas unitarias, se muestra como el bloque más grande a la derecha (que tiene una celda única unitaria delineada en rojo). Este bloque de 3x3 muestra electrones verdes "Weyl" que viajan en diagonal a través de la parte superior de las células y afectan la orientación del espín magnético de los átomos de Nd. Una propiedad especial del electrón de Weyl es el bloqueo de su dirección de giro, que apunta paralelo o antiparalelo a la dirección de su movimiento, representado por las flechas pequeñas en los electrones de Weyl. A medida que estos electrones viajan a lo largo de los cuatro átomos de Nd de oro, los giros Nd se reorientan en una "espiral de giro" que se puede imaginar apuntando sucesivamente en la dirección de las 12 en punto (el más cercano al espectador con la flecha roja apuntando hacia arriba), 4 en punto (flecha azul), 8 en punto (también en azul) y nuevamente a las 12 en punto (más alejado del espectador y nuevamente en rojo). Las líneas de átomos de Nd se extienden a través de muchas capas del cristal, ofreciendo muchos ejemplos de este inusual patrón magnético. Crédito:N. Hanacek / NIST
Se ha descubierto una forma exótica de magnetismo y se ha vinculado a un tipo igualmente exótico de electrones, según científicos que analizaron un nuevo cristal en el que aparecen en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). El magnetismo es creado y protegido por la estructura electrónica única del cristal, ofreciendo un mecanismo que podría explotarse para dispositivos robustos de almacenamiento de información.
El material recién inventado tiene una estructura inusual que conduce la electricidad pero hace que los electrones que fluyen se comporten como partículas sin masa. cuyo magnetismo está ligado a la dirección de su movimiento. En otros materiales, tales electrones de Weyl han provocado nuevos comportamientos relacionados con la conductividad eléctrica. En este caso, sin embargo, los electrones promueven la formación espontánea de una espiral magnética.
"Nuestra investigación muestra un raro ejemplo de estas partículas que impulsan el magnetismo colectivo, "dijo Collin Broholm, un físico de la Universidad Johns Hopkins que dirigió el trabajo experimental en el Centro NIST para la Investigación de Neutrones (NCNR). "Nuestro experimento ilustra una forma única de magnetismo que puede surgir de los electrones de Weyl".
Los resultados, que aparecen en Materiales de la naturaleza , revelan una relación compleja entre el material, los electrones que fluyen a través de él como corriente y el magnetismo que exhibe el material.
En un imán de nevera, a veces imaginamos que cada uno de sus átomos de hierro tiene una barra magnética que lo perfora con su polo "norte" apuntando en una determinada dirección. Esta imagen se refiere a las orientaciones de espín de los átomos, que se alinean en paralelo. El material que estudió el equipo es diferente. Es un "semimetal" hecho de silicio y los metales aluminio y neodimio. Juntos, estos tres elementos forman un cristal, lo que implica que los átomos que lo componen están dispuestos en un patrón regular que se repite. Sin embargo, es un cristal que rompe la simetría de inversión, lo que significa que el patrón repetitivo es diferente en un lado de las celdas unitarias de un cristal (el bloque de construcción más pequeño de una red cristalina) que en el otro. Esta disposición estabiliza los electrones que fluyen a través del cristal, que a su vez impulsan un comportamiento inusual en su magnetismo.
La estabilidad de los electrones se muestra como una uniformidad en la dirección de sus espines. En la mayoría de los materiales que conducen la electricidad, como alambre de cobre, los electrones que fluyen a través del cable tienen espines que apuntan en direcciones aleatorias. No es así en el semimetal, cuya simetría rota transforma los electrones que fluyen en electrones de Weyl cuyos espines están orientados en la dirección en la que viaja el electrón o en la dirección exactamente opuesta. Es este bloqueo de los espines de los electrones de Weyl en su dirección de movimiento —su impulso— lo que causa el raro comportamiento magnético del semimetal.
Los tres tipos de átomos del material conducen electricidad, proporcionando peldaños para los electrones a medida que saltan de un átomo a otro. Sin embargo, solo los átomos de neodimio (Nd) exhiben magnetismo. Son susceptibles a la influencia de los electrones de Weyl, que empujan el átomo de Nd gira de una manera curiosa. Mire a lo largo de cualquier fila de átomos de Nd que se extienda diagonalmente a través del semimetal, y verá lo que el equipo de investigación denomina una "espiral giratoria".
"Una forma simplificada de imaginarlo son los puntos de giro del primer átomo de Nd a las 12 en punto, luego la siguiente a las 4 en punto, luego el tercero a las 8 en punto, "Broholm dijo." Entonces el patrón se repite. Esta hermosa 'textura' de espín es impulsada por los electrones de Weyl cuando visitan los átomos de Nd vecinos ".
Se necesitó la colaboración de muchos grupos dentro del Instituto de Materia Cuántica de la Universidad Johns Hopkins para revelar el magnetismo especial que surge en el cristal. Incluía grupos que trabajaban en síntesis de cristales, sofisticados cálculos numéricos y experimentos de dispersión de neutrones.
"Para la dispersión de neutrones, nos beneficiamos enormemente de la gran cantidad de tiempo de haz de difracción de neutrones que estaba disponible para nosotros en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST, "dijo Jonathan Gaudet, uno de los coautores del artículo. "Sin el tiempo del rayo, nos hubiéramos perdido esta hermosa nueva física ".
Cada bucle de la espiral de giro tiene aproximadamente 150 nanómetros de largo, y las espirales solo aparecen a temperaturas frías por debajo de 7 K. Broholm dijo que hay materiales con propiedades físicas similares que funcionan a temperatura ambiente, y que podrían aprovecharse para crear dispositivos de memoria magnética eficientes.
"La tecnología de memoria magnética como los discos duros generalmente requiere que usted cree un campo magnético para que funcionen, ", dijo." Con esta clase de materiales, puede almacenar información sin necesidad de aplicar o detectar un campo magnético. Leer y escribir la información eléctricamente es más rápido y más robusto ".
Comprender los efectos que impulsan los electrones de Weyl también podría arrojar luz sobre otros materiales que han causado consternación a los físicos.
"Fundamentalmente, es posible que podamos crear una variedad de materiales que tengan diferentes características internas de giro, y tal vez ya las tengamos, ", Dijo Broholm." Como comunidad, hemos creado muchas estructuras magnéticas que no comprendemos de inmediato. Habiendo visto el carácter especial del magnetismo mediado por Weyl, finalmente podremos comprender y utilizar estructuras magnéticas tan exóticas ".
