Ahora hay una nueva incorporación a la familia magnética:gracias a experimentos en el Swiss Light Source SLS, los investigadores han demostrado la existencia del altermagnetismo. El descubrimiento experimental de esta nueva rama del magnetismo se informa en Nature y significa una nueva física fundamental, con importantes implicaciones para la espintrónica.
El magnetismo es mucho más que cosas que se pegan al frigorífico. Esta comprensión llegó con el descubrimiento de los antiferroimanes hace casi un siglo. Desde entonces, la familia de materiales magnéticos se ha dividido en dos fases fundamentales:la rama ferromagnética conocida desde hace varios milenios y la rama antiferromagnética.
La prueba experimental de una tercera rama del magnetismo, denominada altermagnetismo, se realizó en la fuente de luz suiza SLS, mediante una colaboración internacional dirigida por la Academia Checa de Ciencias junto con el Instituto Paul Scherrer PSI.
Las fases magnéticas fundamentales están definidas por las disposiciones espontáneas específicas de los momentos magnéticos (o espines de los electrones) y de los átomos que transportan los momentos en los cristales.
Los ferromagnetos son el tipo de imanes que se adhieren al frigorífico:aquí los espines apuntan en la misma dirección, dando un magnetismo macroscópico. En los materiales antiferromagnéticos, los espines apuntan en direcciones alternas, con el resultado de que los materiales no poseen magnetización neta macroscópica y, por lo tanto, no se adhieren al refrigerador. Aunque se han categorizado otros tipos de magnetismo, como el diamagnetismo y el paramagnetismo, estos describen respuestas específicas a campos magnéticos aplicados externamente en lugar de ordenamientos magnéticos espontáneos en los materiales.
Los altermagnets tienen una combinación especial de disposición de espines y simetrías cristalinas. Los espines se alternan, como en los antiferromagnetos, lo que no produce magnetización neta. Sin embargo, en lugar de simplemente cancelarse, las simetrías dan una estructura de banda electrónica con una fuerte polarización de espín que cambia de dirección a medida que se pasa a través de las bandas de energía del material; de ahí el nombre de alterimanes. Esto da como resultado propiedades muy útiles que se parecen más a los ferromagnetos, así como algunas propiedades completamente nuevas.
Este tercer hermano magnético ofrece distintas ventajas para el campo en desarrollo de la tecnología de memoria magnética de próxima generación, conocida como espintrónica. Mientras que la electrónica utiliza únicamente la carga de los electrones, la espintrónica también aprovecha el estado de espín de los electrones para transportar información.
Aunque la espintrónica lleva algunos años prometiendo revolucionar las tecnologías de la información, todavía está en su infancia. Normalmente, se han utilizado ferromagnetos para tales dispositivos, ya que ofrecen ciertos fenómenos físicos dependientes del espín fuertes y muy deseables. Sin embargo, la magnetización de red macroscópica que es útil en tantas otras aplicaciones plantea limitaciones prácticas a la escalabilidad de estos dispositivos, ya que provoca interferencias entre bits, los elementos que transportan información en el almacenamiento de datos.
Más recientemente, se han investigado los antiferroimanes para la espintrónica, ya que se benefician de no tener magnetización neta y, por lo tanto, ofrecen ultraescalabilidad y eficiencia energética. Sin embargo, faltan los fuertes efectos dependientes del espín que son tan útiles en los ferromagnetos, lo que dificulta nuevamente su aplicabilidad práctica.
Aquí entran los alterimanes con lo mejor de ambos:magnetización neta cero junto con los codiciados fenómenos fuertes dependientes del espín que normalmente se encuentran en los ferromagnetos, méritos que se consideraban principalmente incompatibles.
"Ésa es la magia de los alterimanes", afirma Tomáš Jungwirth, del Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias, investigador principal del estudio. "Algo que la gente creía que era imposible hasta que recientes predicciones teóricas [mostraron que] es de hecho posible."
No hace mucho comenzaron los rumores de que acechaba un nuevo tipo de magnetismo:en 2019, Jungwirth, junto con colegas teóricos de la Academia Checa de Ciencias y de la Universidad de Maguncia, identificaron una clase de materiales magnéticos con una estructura de espín que no encajaba en las descripciones clásicas. de ferromagnetismo o antiferromagnetismo.
En 2022, los teóricos publicaron sus predicciones sobre la existencia del altermagnetismo. Descubrieron más de doscientos candidatos altermagnéticos en materiales que van desde aislantes y semiconductores hasta metales y superconductores. Muchos de estos materiales han sido bien conocidos y explorados extensamente en el pasado, sin advertir su naturaleza altermagnetica. Debido a las enormes oportunidades de investigación y aplicación que plantea el altermagnetismo, estas predicciones causaron un gran entusiasmo dentro de la comunidad. La búsqueda estaba en marcha.
Para obtener una prueba experimental directa de la existencia del altermagnetismo fue necesario demostrar las características únicas de simetría de espín predichas en los altermagnetos. La prueba se produjo mediante espectroscopía de fotoemisión resuelta por ángulo y giro en las líneas de luz SIS (estación final COPHEE) y ADRESS del SLS. Esta técnica permitió al equipo visualizar una característica reveladora en la estructura electrónica de un presunto alterimán:la división de bandas electrónicas correspondientes a diferentes estados de espín, conocida como levantamiento de la degeneración del espín de Kramers.
El descubrimiento se realizó en cristales de telururo de manganeso, un conocido material simple de dos elementos. Tradicionalmente, el material se ha considerado un antiferroimán clásico porque los momentos magnéticos de los átomos de manganeso vecinos apuntan en direcciones opuestas, generando una magnetización neta que se desvanece.
Sin embargo, los antiferromagnetos no deberían exhibir una degeneración elevada del espín de Kramers por el orden magnético, mientras que los ferromagnetos o alterimanes sí deberían. Cuando los científicos vieron la desaparición de la degeneración del espín de Kramers, acompañada por la desaparición de la magnetización de la red, supieron que estaban ante un alterimán.
"Gracias a la alta precisión y sensibilidad de nuestras mediciones, pudimos detectar la característica división alterna de los niveles de energía correspondientes a estados de espín opuestos y demostrar así que el telururo de manganeso no es ni un antiferroimán convencional ni un ferroimán convencional, sino que pertenece a la nueva rama altermagnetica de materiales magnéticos", afirma Juraj Krempasky, científico de líneas de luz del grupo Beamline Optics de PSI y primer autor del estudio.
Las líneas de luz que permitieron este descubrimiento ahora están desmontadas, a la espera de la actualización SLS 2.0. Después de veinte años de ciencia exitosa, la estación terminal COPHEE se integrará completamente en la nueva línea de luz "QUEST". "Fue con los últimos fotones de luz en COPHEE que hicimos estos experimentos. Que hayan dado un avance científico tan importante es muy emotivo para nosotros", añade Krempasky.
"Ahora que lo hemos sacado a la luz, muchas personas en todo el mundo podrán trabajar en ello."
Los investigadores creen que este nuevo descubrimiento fundamental en el magnetismo enriquecerá nuestra comprensión de la física de la materia condensada, con impacto en diversas áreas de investigación y tecnología. Además de sus ventajas para el campo en desarrollo de la espintrónica, también ofrece una plataforma prometedora para explorar la superconductividad no convencional, a través de nuevos conocimientos sobre los estados superconductores que pueden surgir en diferentes materiales magnéticos.
"En realidad, el altermagnetismo no es algo muy complicado. Es algo completamente fundamental que estuvo ante nuestros ojos durante décadas sin darnos cuenta", afirma Jungwirth. "Y no es algo que exista sólo en unos pocos materiales oscuros. Existe en muchos cristales que la gente simplemente tenía en sus cajones. En ese sentido, ahora que lo hemos sacado a la luz, muchas personas en todo el mundo podrán trabajar en ello, dando el potencial para un amplio impacto."
Más información: Juraj Krempaský, Levantamiento altermagnético de la degeneración del espín de Kramers, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06907-7. www.nature.com/articles/s41586-023-06907-7
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por el Instituto Paul Scherrer
