En un nuevo estudio, los científicos han investigado la clase recientemente descubierta de materiales altermagnéticos por sus propiedades térmicas, ofreciendo información sobre la naturaleza distintiva de los alterimanes para aplicaciones de espín-caloritrónico.
El magnetismo es un tema antiguo y bien investigado que se presta a muchas aplicaciones, como motores y transformadores. Sin embargo, se están estudiando y descubriendo nuevos materiales y fenómenos magnéticos, uno de los cuales son los alterimanes.
Los altermagnets exhiben una combinación única de características magnéticas, que los distinguen de los materiales magnéticos convencionales como los ferromagnetos y antiferromagnetos. Estos materiales exhiben propiedades observadas tanto en ferromagnetos como en antiferromagnetos, lo que hace que su estudio sea atractivo.
La investigación actual, publicada en Physical Review Letters , explora las propiedades térmicas de los alterimanes y fue dirigido por el Prof. Wanxiang Feng y el Prof. Yugui Yao del Instituto de Tecnología de Beijing.
Hablando de su motivación detrás de la exploración de alterimanes, el profesor Feng dijo a Phys.org:"El magnetismo es un tema antiguo y fascinante en la física del estado sólido. Al explorar imanes no colineales durante las últimas décadas, encontramos un nuevo tipo de imán colineal, el alterimán."
El profesor Yao añadió:"Con una naturaleza dual que se asemeja tanto a los ferromagnetos como a los antiferromagnetos, los alterimanes nos intrigaron con el potencial de producir nuevos efectos físicos. Nuestra motivación surgió del deseo de comprender y descubrir las propiedades únicas de estos materiales magnéticos".
Las propiedades magnéticas surgen del comportamiento de los átomos, en particular de la disposición y el movimiento de los electrones dentro de un material.
"En los materiales magnéticos, debido a la interacción de intercambio entre átomos, los momentos magnéticos del espín se organizan en paralelo o antiparalelo, formando los ferromagnetos y antiferromagnetos más comunes, respectivamente, que se han estudiado durante más de un siglo", explicó el profesor Feng.
Los altermagnets desafían las normas convencionales al encarnar una naturaleza dual:se asemejan a antiferromagnetos con magnetización neta cero y ferroimanes con división de espín no relativista.
En los alterimanes, el orden magnético colineal antiparalelo se combina con la división de espín no relativista, lo que da como resultado una magnetización neta cero similar a los antiferroimanes y la dinámica de espín ferromagnético simultáneamente.
Este comportamiento único surge de la intrincada interacción de los átomos dentro de la estructura cristalina. Por ejemplo, el dióxido de rutenio, objeto de esta investigación, muestra una degeneración del espín inducida por átomos de oxígeno no magnéticos, rompiendo las simetrías espaciales y temporales. Esto conduce a las propiedades magnéticas únicas del material.
Además, los alterimanes exhiben una polarización de espín única. El término "polarización de espín" significa que una preponderancia de espines de electrones tiende a alinearse en una dirección particular.
La polarización del espín es notable en los alterimanes porque ocurre en la disposición física de los átomos (espacio real) y en el espacio de momento, donde se considera la distribución de los espines de los electrones en el material.
Los investigadores se centraron en estudiar la aparición del cristal de Nernst y del efecto Hall térmico del cristal en el dióxido de rubidio (RuO2 ), elegido como escaparate representativo del altermagnetismo.
El efecto cristalino de Nernst (CNE) observado en los alterimanes es el resultado de su naturaleza magnética distintiva. En términos simples, cuando el material experimenta una diferencia de temperatura en sus dimensiones, se produce la aparición de un voltaje perpendicular tanto al gradiente de temperatura como al campo magnético. Este fenómeno revela que las propiedades magnéticas del material influyen en su respuesta a los cambios de temperatura, proporcionando información sobre la intrincada conexión entre los comportamientos térmico y magnético en los alterimanes.
En los alterimanes, este efecto está significativamente influenciado por la dirección del vector de Néel, que representa la dirección en la que se alinean los momentos magnéticos vecinos. Esto añade una capa extra de complejidad a la respuesta térmica.
De manera similar, el efecto Hall térmico del cristal (CTHE) arroja luz sobre cómo se mueve el calor en los alterimanes. Al igual que el efecto Hall térmico tradicional, se produce perpendicular al gradiente de temperatura y al campo magnético. En altermagnets, el CTHE muestra una variación significativa dependiendo de la dirección del vector de Néel. Esta anisotropía es un factor central para comprender el comportamiento del transporte térmico exclusivo de los materiales altermagnéticos.
Propiedades térmicas del RuO2
La metodología de investigación empleó una estrategia dual, combinando análisis de simetría y cálculos de primeros principios de vanguardia, para desentrañar las propiedades de transporte térmico del RuO2. . El análisis de simetría jugó un papel crucial a la hora de desentrañar las razones fundamentales detrás del surgimiento del altermagnetismo.
A través de dos operaciones de simetría que implican inversión espacial, inversión del tiempo y traducción de la red, el estudio mostró la intrincada interacción de los átomos dentro de la estructura cristalina, demostrando cómo los átomos de oxígeno no magnéticos inducían una división de espín no relativista en bandas de energía.
Este proceso dio como resultado la ruptura de la simetría de inversión del tiempo cristalina, dando lugar a distintas propiedades de transporte térmico del cristal.
"A través de un análisis detallado, identificamos tres mecanismos físicos que contribuyen al transporte térmico de los cristales:líneas pseudonodales de Weyl, planos pseudonodales altermagnéticos y transiciones de escalera altermagneticas", dijo el profesor Yao.
En términos simples, las líneas pseudonodales de Weyl son vías que guían el calor dentro del material, los planos pseudonodales altermagnéticos pueden representarse como zonas designadas que influyen en el flujo de calor, y las transiciones de escalera altermagnéticas pueden considerarse como la forma en que el material asciende por una capa de calor. escalera.
Estos hallazgos son interesantes ya que desempeñan un papel importante en cómo viaja el calor dentro de los alterimanes.
Los investigadores descubrieron una ley de Wiedemann-Franz ampliada en RuO2 , vinculando las inusuales características de transporte térmico y eléctrico del material. Contrariamente a las expectativas convencionales, esta ley extendida opera en un rango de temperatura más amplio, que se extiende más allá de los 150 Kelvin.
Los investigadores creen que los alterimanes podrían tener un papel fundamental en la caloritrónica del espín, un campo de investigación que explora la interacción entre el espín y el flujo de calor, que no se pueden lograr con ferroimanes o antiferroimanes. Este campo tiene aplicaciones potenciales en el desarrollo de nuevas tecnologías para el procesamiento y almacenamiento de información.
"Los materiales altermagneticos con orden magnético colineal antiparalelo exhiben una dinámica de espín más rápida y una menor sensibilidad a los campos magnéticos dispersos en comparación con los materiales ferromagnéticos. Esto los hace prometedores para lograr una mayor densidad de almacenamiento y dispositivos caloritrónicos de espín más rápidos", explicó el profesor Feng.
Los investigadores también pretenden investigar el transporte térmico de cristales de orden superior y los efectos magnetoópticos en el futuro.
Hablando de esto, el profesor Yao dijo:"Tenemos curiosidad acerca de las diferencias en el transporte térmico de cristales de orden superior y los efectos magnetoópticos de orden superior en alterimanes en comparación con antiferroimanes o ferroimanes. Estamos en las primeras etapas de esta tecnología, y Queda un largo camino por recorrer antes de que sea prácticamente alcanzable."
Más información: Xiaodong Zhou et al, Transporte térmico de cristales en RuO2 altermmagnético, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.056701. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.01410
Información de la revista: Cartas de revisión física , arXiv
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