Físicos de la Universidad de Augsburgo lograron distinguir órdenes quirales con una magnetización similar pero un sentido de rotación opuesto mediante mediciones eléctricas a bajas temperaturas. Esto es relevante para la investigación fundamental sobre imanes complejos y posibles aplicaciones para el almacenamiento de datos magnéticos. Los resultados fueron publicados en Nature Physics. .
Las corrientes eléctricas y las fuerzas magnéticas están directamente relacionadas entre sí:los cables que transportan corriente crean un campo magnético circular y viceversa, un campo magnético desvía las partículas cargadas eléctricamente perpendicularmente a la corriente y a la dirección del campo. Este último fenómeno se denomina "efecto Hall" en honor a su inventor Edwin Hall.
El efecto Hall se utiliza para estudiar las propiedades eléctricas y magnéticas de los metales. El "efecto Hall normal" nos permite determinar la concentración de los portadores de cargadores y su movilidad, mientras que en los imanes surge una contribución adicional denominada "efecto Hall anómalo".
En el Instituto de Física de la Universidad de Augsburgo se ha descubierto que el efecto Hall anómalo podría revelar una simetría oculta. "A pesar de una magnetización igual, dos estados muestran señales Hall anómalas claramente diferentes, una observación sorprendente y llamativa", explica Philipp Gegenwart, profesor de Física Experimental.
Las investigaciones se realizaron con el metal magnético HoAgGe, que tiene propiedades magnéticas especiales y que fue descubierto hace cuatro años por el equipo del profesor Gegenwart. El material presenta una configuración triangular de espines electrónicos atómicos de átomos de holmio.
Dado que es imposible cumplir simultáneamente todas las interacciones por pares en cada triángulo, surge un estado magnéticamente frustrado. Presenta varias configuraciones energéticamente degeneradas por triángulo y se llama hielo giratorio Kagome. Los giros están ubicados en los bordes de triángulos compartidos en las esquinas que se asemejan a cestas japonesas trenzadas "Kagome". Reglas similares que se aplican al hielo de agua determinan las posibles configuraciones de los momentos magnéticos.
A diferencia de los imanes ordinarios, los momentos magnéticos en el hielo giratorio de Kagome no están alineados en una dirección, sino que obedecen a un patrón quiral complejo, es decir, con un sentido de rotación diferente. Se crean en un campo magnético aplicado a bajas temperaturas y presentan mesetas de magnetización fraccionadas en valores de 1/3 y 2/3. La figura de arriba muestra dos de estos patrones con energía similar y 1/3 de la magnetización de saturación cada uno.
El estudio del grupo de investigación de la Universidad de Augsburgo investigó y analizó sistemáticamente el efecto Hall anómalo a bajas temperaturas. Sorprendentemente, se encontraron diferentes valores del efecto Hall anómalo para los dos patrones de 1/3 de magnetización, visibles como curvas rojas y negras en el gráfico de la figura anterior.
El modelado de los datos reveló una simetría oculta única subyacente:se requiere la combinación de una rotación de 180° y una inversión de distorsión para transformar un patrón en otro. Los electrones de conducción que se dispersan en los dos patrones diferentes dan como resultado diferentes curvaturas de la fase de sus funciones de onda, y esto conduce a una diferencia en el efecto Hall anómalo, a pesar de la similar energía y magnetización de los dos patrones diferentes.
De manera más general, esta observación indica un nuevo potencial para las mediciones del efecto Hall anómalo en metales frustrados magnéticamente y para descubrir simetrías y estados ocultos a través de mediciones eléctricas. "Esto también puede ser interesante en el caso del almacenamiento magnético permanente de datos a escala atómica más pequeña", afirma Gegenwart. Sin embargo, esto requiere el direccionamiento local y la conmutación selectiva del sentido de rotación de estos patrones.
Más información: K. Zhao et al, Degeneraciones discretas distinguidas por el efecto Hall anómalo en un compuesto metálico de hielo kagome, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02307-w
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Augsburgo
