Un equipo de investigación dirigido por el Instituto Paul Scherrer ha observado espectroscópicamente el fraccionamiento de la carga electrónica en un ferroimán metálico a base de hierro. La observación experimental del fenómeno no sólo es de fundamental importancia. Dado que aparece en una aleación de metales comunes a temperaturas accesibles, tiene potencial para su futura explotación en dispositivos electrónicos. El descubrimiento se publica en la revista Nature .
La mecánica cuántica básica nos dice que la unidad fundamental de carga es irrompible:la carga del electrón está cuantificada. Sin embargo, hemos llegado a comprender que existen excepciones. En algunas situaciones, los electrones se organizan colectivamente como si estuvieran divididos en entidades independientes, cada una de las cuales posee una fracción de la carga.
El hecho de que la carga pueda fraccionarse no es nuevo:se ha observado experimentalmente desde principios de la década de 1980 con el efecto Hall cuántico fraccional. En esto, se observa que la conductancia de un sistema en el que los electrones están confinados a un plano bidimensional está cuantificada en unidades de carga fraccionarias, en lugar de enteras.
El efecto Hall proporciona una medida indirecta del fraccionamiento de la carga a través de una manifestación macroscópica del fenómeno:el voltaje. Como tal, no revela el comportamiento microscópico (la dinámica) de las cargas fraccionarias. El equipo de investigación, una colaboración entre instituciones de Suiza y China, ha revelado ahora dicha dinámica mediante espectroscopia de electrones emitidos por un ferroimán cuando se ilumina con un láser.
Para fraccionar cargas, es necesario llevar los electrones a un lugar extraño donde dejan de seguir las reglas normales. En los metales convencionales, los electrones normalmente se mueven a través del material, generalmente ignorándose unos a otros, salvo algún golpe ocasional. Poseen una gama de diferentes energías. Los niveles de energía en los que se encuentran se describen como "bandas dispersivas", donde la energía cinética de los electrones depende de sus momentos.
En algunos materiales, ciertas condiciones extremas pueden empujar a los electrones a comenzar a interactuar y comportarse colectivamente. Las bandas planas son regiones de la estructura electrónica de un material donde todos los electrones se encuentran en el mismo estado energético, es decir, donde tienen masas efectivas casi infinitas. Aquí, los electrones son demasiado pesados para escaparse unos de otros, y reinan fuertes interacciones entre electrones.
Las bandas planas raras y buscadas pueden dar lugar a fenómenos que incluyen formas exóticas de magnetismo o fases topológicas como los estados de Hall cuánticos fraccionarios.
Para observar el efecto Hall cuántico fraccional, se aplican fuertes campos magnéticos y temperaturas muy bajas, que suprimen la energía cinética de los electrones y promueven fuertes interacciones y comportamiento colectivo.
El equipo de investigación podría lograrlo de una manera diferente, sin la aplicación de un campo magnético fuerte:creando una estructura reticular que reduzca las energías cinéticas de los electrones y les permita interactuar. Una red de este tipo es la estera japonesa de bambú "kagome", que caracteriza las capas atómicas en una cantidad sorprendentemente grande de compuestos químicos.
Hicieron su descubrimiento en Fe3 Sn2 , un compuesto que consta únicamente de los elementos comunes hierro (Fe) y estaño (Sn) ensamblados según el patrón kagome de triángulos que comparten esquinas.
Los investigadores no se propusieron observar el fraccionamiento de carga en kagome Fe3 Sn2 . En cambio, simplemente estaban interesados en verificar si existían bandas planas como se predijo para este material ferromagnético.
Utilizando espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo láser (láser ARPES) en la Universidad de Ginebra con un diámetro de haz muy pequeño, pudieron sondear la estructura electrónica local del material con una resolución sin precedentes.
"La estructura de la banda en Kagome Fe3 Sn2 es diferente dependiendo del dominio ferromagnético que esté sondeando. Estábamos interesados en ver si, utilizando el haz microenfocado, podíamos detectar faltas de homogeneidad en la estructura electrónica correlacionadas con dominios que previamente se habían pasado por alto", dice Sandy Ekahana, becaria postdoctoral en el grupo de Tecnología Cuántica de PSI y primera autora de el estudio.
Centrándose en determinados dominios cristalinos, el equipo identificó una característica conocida como bolsas de electrones. Estas son regiones en el espacio de impulso de la estructura de bandas electrónicas de un material donde la energía de los electrones es mínima, formando efectivamente bolsas donde los electrones "cuelga" Aquí los electrones se comportan como excitaciones colectivas o cuasipartículas.
Al examinarlas de cerca, los investigadores detectaron características extrañas en la estructura de las bandas electrónicas que no estaban completamente explicadas por la teoría. Las mediciones láser ARPES revelaron una banda dispersiva, que no coincidía con los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT), uno de los métodos más establecidos para estudiar las interacciones y el comportamiento de los electrones en materiales.
"Muy a menudo sucede que DFT no coincide del todo. Pero desde un punto de vista experimental únicamente, esta banda era extremadamente peculiar. Era extremadamente nítida, pero de repente se cortó. Esto no es normal; por lo general, las bandas son continuas. ", explica Yona Soh, científica de PSI y autora correspondiente del estudio.
Los investigadores se dieron cuenta de que estaban observando una banda dispersiva interactuando con una banda plana, cuya existencia predijeron sus colegas de la EPFL. La observación de una banda plana interactuando con una banda dispersiva es en sí misma de gran interés:se cree que la interacción entre las bandas planas y dispersivas permite que surjan nuevas fases de la materia, como metales "marginales" donde los electrones no viajan mucho más lejos que su longitud de onda cuántica y sus peculiares superconductores.
"Ha habido mucho debate teórico sobre la interacción entre bandas planas y dispersivas, pero esta es la primera vez que se descubre espectroscópicamente una nueva banda causada por esta interacción", dice Soh.
Las consecuencias de esta observación son aún más profundas. Cuando las dos bandas se encuentran, se hibridan para formar una nueva banda. La banda dispersiva original está ocupada. La banda plana está desocupada porque se encuentra por encima del nivel de Fermi, un concepto que describe el límite entre los niveles de energía ocupados y desocupados. Cuando se crea la nueva banda, la carga se divide entre la banda dispersiva original y la nueva banda. Esto significa que cada banda contiene sólo una fracción de la carga.
De esta manera, las mediciones de Ekahana y sus colegas proporcionan una observación espectroscópica directa del fraccionamiento de carga.
"Lograr y observar estados en los que la carga está fraccionada es apasionante no sólo desde la perspectiva de la investigación fundamental", afirma Gabriel Aeppli, jefe de la división de ciencia fotónica del PSI y profesor de la EPFL y la ETH Zurich, quien propuso el estudio. "Observamos esto en una aleación de metales comunes a temperaturas bajas pero aún relativamente accesibles. Esto hace que valga la pena considerar si existen dispositivos electrónicos que puedan aprovechar la fraccionación".
Más información: Yona Soh, Electrones anómalos en un ferroimán metálico Kagome, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07085-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07085-w
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por el Instituto Paul Scherrer
