Método para controlar el comportamiento magnético en material cuántico

Anomalías de fonones en transiciones de fase magnética en MnBi₂ Te₄ . un Estructura cristalina de MnBi₂ Te₄ . b Desplazamientos propios de A_1g ⁽¹⁾ y A_1g ⁽²⁾ modos, con flechas que indican el desplazamiento de iones. c, d Espectros Raman de A_1g ⁽¹⁾ (c) y A_1g ⁽²⁾ (d) modos en las fases paramagnética (PM) y antiferromagnética (AFM) a 0 T, mostradas en rojo y azul respectivamente. e, f Espectros Raman de A_1g ⁽¹⁾ (e) y A_1g ⁽²⁾ (f) modos en las fases AFM y ferromagnético (FM) a 5 K, mostrados en azul y morado respectivamente. g, h La diferencia entre espectros en las fases AFM y FM. yo, j Gráficos de contorno de la diferencia al restar el espectro de 9 T, en función del campo magnético. Las líneas punteadas indican los campos críticos de FM y spin-flop. Crédito:Comunicaciones de la naturaleza (2022). DOI:10.1038/s41467-022-29545-5

El magnetismo, una de las tecnologías más antiguas conocidas por los humanos, está a la vanguardia de los materiales de la nueva era que podrían permitir la próxima generación de computadoras cuánticas y electrónica sin pérdidas. Investigadores dirigidos por Penn State y la Universidad de California en San Diego, han descubierto una nueva "perilla" para controlar el comportamiento magnético de un material cuántico prometedor, y los hallazgos podrían allanar el camino hacia dispositivos novedosos, eficientes y ultrarrápidos.

"La composición mecánica cuántica única de este material, el telururo de bismuto de manganeso, le permite transportar corrientes eléctricas sin pérdidas, algo de gran interés tecnológico", dijo Hari Padmanabhan, quien dirigió la investigación como estudiante graduado en Penn State. "Lo que hace que este material sea especialmente intrigante es que este comportamiento está profundamente relacionado con sus propiedades magnéticas. Por lo tanto, una perilla para controlar el magnetismo en este material también podría controlar de manera eficiente estas corrientes sin pérdidas".

El telururo de bismuto y manganeso, un material 2D hecho de capas apiladas atómicamente delgadas, es un ejemplo de un aislante topológico, materiales exóticos que pueden ser simultáneamente aislantes y conductores de electricidad, dijeron los científicos. Es importante destacar que, debido a que este material también es magnético, las corrientes conducidas alrededor de sus bordes podrían no tener pérdidas, lo que significa que no pierden energía en forma de calor. Encontrar una manera de sintonizar los enlaces magnéticos débiles entre las capas del material podría desbloquear estas funciones.

Diminutas vibraciones de átomos, o fonones, en el material pueden ser una forma de lograr esto, informaron los científicos el 8 de abril en la revista Nature Communications. .

"Los fonones son pequeños movimientos atómicos:átomos que bailan juntos en varios patrones, presentes en todos los materiales", dijo Padmanabhan. "Demostramos que estos movimientos atómicos pueden funcionar potencialmente como una perilla para ajustar el enlace magnético entre las capas atómicas en el telururo de manganeso y bismuto".

Los científicos de Penn State estudiaron el material utilizando una técnica llamada espectroscopia magnetoóptica:disparar un láser sobre una muestra del material y medir el color y la intensidad de la luz reflejada, que transporta información sobre las vibraciones atómicas. El equipo observó cómo cambiaban las vibraciones a medida que alteraban la temperatura y el campo magnético.

A medida que alteraban el campo magnético, los científicos observaron cambios en la intensidad de los fonones. Este efecto se debe a que los fonones influyen en el débil enlace magnético entre capas, dijeron los científicos.

"Usando la temperatura y el campo magnético para variar la estructura magnética del material, al igual que usar un imán de refrigerador para magnetizar una aguja de brújula, descubrimos que las intensidades de los fonones estaban fuertemente correlacionadas con la estructura magnética", dijo Maxwell Poore, estudiante de posgrado en la UC. San Diego, y coautor del estudio. "Al combinar estos hallazgos con cálculos teóricos, inferimos que estas vibraciones atómicas modifican los enlaces magnéticos entre las capas de este material".

Los científicos de UC San Diego realizaron experimentos para rastrear estas vibraciones atómicas en tiempo real. Los fonones oscilan más rápido que un billón de veces por segundo, muchas veces más rápido que los chips de computadora modernos, dijeron los científicos. Un procesador de computadora de 3,5 gigahercios, por ejemplo, opera a una frecuencia de 3500 millones de veces por segundo.

"Lo hermoso de este resultado fue que estudiamos el material usando diferentes métodos experimentales complementarios en diferentes instituciones y todos convergieron notablemente en la misma imagen", dijo Peter Kim, estudiante de posgrado en UC San Diego y coautor del artículo. .

Se necesita más investigación para usar directamente la perilla magnética, dijeron los científicos. Pero si eso se puede lograr, podría conducir a dispositivos ultrarrápidos que puedan controlar de manera eficiente y reversible las corrientes sin pérdidas.

"Un desafío importante en la fabricación de procesadores electrónicos más rápidos y potentes es que se calientan", dijo Venkatraman Gopalan, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y física en Penn State, exasesor de Padmanabhan y coautor del artículo. "La calefacción desperdicia energía. Si pudiéramos encontrar formas eficientes de controlar los materiales que albergan corrientes sin pérdidas, eso nos permitiría implementarlos en futuros dispositivos electrónicos de bajo consumo". + Explora más