Investigadores de Northeastern han descubierto un nuevo fenómeno cuántico en una clase específica de materiales, llamados aislantes antiferromagnéticos, que podría generar nuevas formas de alimentar la "espintrónica" y otros dispositivos tecnológicos del futuro.

El descubrimiento ilumina "cómo fluye el calor en un aislante magnético, [y] cómo [los investigadores] pueden detectar ese flujo de calor", dice Gregory Fiete, profesor de física en Northeastern y coautor de la investigación. Los nuevos efectos, publicados en Nature Physics esta semana y demostrado experimentalmente, se observaron al combinar ferrita de lantano (LaFeO₃ ) con una capa de platino o tungsteno.

"Ese acoplamiento en capas es lo que es responsable del fenómeno", dice Arun Bansil, profesor universitario distinguido en el Departamento de Física de Northeastern, quien también participó en el estudio.

El descubrimiento puede tener numerosas aplicaciones potenciales, como mejorar los sensores de calor, reciclar el calor residual y otras tecnologías termoeléctricas, dice Bansil. Este fenómeno podría incluso conducir al desarrollo de una nueva fuente de energía para estas y otras tecnologías en ciernes. El estudiante graduado de Northeastern Matt Matzelle y Bernardo Barbiellini, físico computacional y teórico de la Universidad Tecnológica de Lappeenranta, que actualmente visita Northeastern, participaron en la investigación.

Ilustrar los hallazgos de los equipos requiere un aumento considerable (literalmente) para observar el mundo de las partículas a escala atómica, específicamente, en las nanovidas de los electrones. También requiere una comprensión de varias propiedades de los electrones:que poseen algo llamado "espín", tienen una carga y pueden, cuando se mueven a través de un material, generar un flujo de calor.

El espín electrónico, o momento angular, describe una propiedad fundamental de los electrones definida en uno de dos estados potenciales:hacia arriba o hacia abajo. Hay muchas maneras diferentes en que estos giros "hacia arriba o hacia abajo" de los electrones (también conocidos como polos norte-sur) se orientan en el espacio, lo que a su vez da lugar a diferentes tipos de magnetismo. Todo depende, dice Bansil, de las formas en que los átomos están modelados en un material dado.

En un sistema magnético, normalmente los espines de ese material se han alineado en la misma dirección. Esa disposición de electrones en los cristales magnéticos (o "ferromagnéticos") es lo que produce esa fuerza que atrae o repele a otros cristales. Muchos materiales magnéticos también conducen electricidad cuando los electrones pueden fluir a través de ellos. Esos materiales se denominan conductores, ya que son capaces de conducir electricidad.

Además de generar una corriente eléctrica, el movimiento de electrones a través de un material también lleva una corriente de calor. Cuando se aplica un campo electromagnético externo a materiales que conducen electricidad, se produce una corriente de calor.

"El calor es solo cuando estos electrones se mueven más rápido o más lento, por lo que, como resultado, pueden transportar más o menos energía térmica", dice Bansil.

Por lo general, la corriente de espín fluye en la misma dirección que la corriente de calor, dice Bansil. Pero, en los materiales específicos utilizados en este estudio, "fluye perpendicularmente a la dirección de la corriente de calor".

"Eso es lo nuevo aquí", dice Bansil.

Es esta interacción "inesperada" la que abre la puerta a nuevas formas de pensar sobre la generación de energía.

"Lo que queremos hacer es crear una corriente de magnetismo que genere energía eléctrica, y la forma de hacerlo es generando un voltaje", dice Fiete.

Para ello, los investigadores combinaron el material aislante antiferromagnético (aquí LaFeO3) con otro elemento más pesado, como el platino o el tungsteno, que son conductores. El acoplamiento arroja los electrones ligeramente fuera de lugar.

"Este material en particular tiene espines que están, en los átomos vecinos más cercanos, casi perfectamente antiorientados", dice Fiete, "lo que significa que están un poco inclinados. No están perfectamente antiorientados, en su mayoría lo están, pero hay un pequeño giro. Y esa pequeña compensación es realmente muy importante, porque es parte de lo que da lugar a los efectos interesantes que vemos en el proyecto".

Eso es lo que le da a esta clase particular de materiales su nombre:antiferromagnético inclinado.

Una clase emergente de dispositivos electrónicos, los llamados "espintrónicos", se basan en la manipulación del espín de los electrones con el objetivo de mejorar las capacidades de procesamiento de información en las tecnologías futuras. Otro campo relacionado, llamado caloritrónica de espín, se enfoca en "cómo convertir el flujo de calor en flujo de magnetismo, o flujo de espín, y finalmente en voltaje", dice Fiete.

"La física cuántica de los materiales es de particular interés porque se conecta directamente con muchas tecnologías:tecnologías en computación cuántica, detección cuántica y comunicaciones cuánticas", dice Fiete. "Y la idea que realmente está cobrando fuerza... en este momento es:¿Cómo hacemos la transición de la investigación de la universidad, como en la que participa mi equipo, a tecnologías que impactarán la forma en que vivimos nuestras vidas?" + Explora más

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