El magnetismo ocurre dependiendo de cómo se comportan los electrones. Por ejemplo, las partículas elementales pueden generar con su carga una corriente eléctrica e inducir así un campo magnético. Sin embargo, el magnetismo también puede surgir mediante la alineación colectiva de los momentos magnéticos (espines) de un material. Sin embargo, lo que hasta ahora no era posible es cambiar continuamente el tipo de magnetismo en un cristal.
Un equipo de investigación internacional dirigido por el profesor de la Universidad Técnica de Viena, Andrej Pustogow, ha logrado precisamente eso:cambiar el magnetismo "presionando un botón". Para ello, el equipo cambió continuamente las interacciones magnéticas en un solo cristal aplicando presión. Los investigadores publicaron recientemente sus resultados en Physical Review Letters. .
La gente ha estado fascinada por el magnetismo durante miles de años y, en primer lugar, ha hecho posibles muchas aplicaciones técnicas. Desde brújulas y motores eléctricos hasta generadores, estos y otros dispositivos no existirían sin el ferromagnetismo.
Si bien el ferromagnetismo ya está bien estudiado, la investigación fundamental está cada vez más interesada en otras formas de magnetismo. Estos son de particular interés para el almacenamiento seguro de datos y como plataformas potenciales para computadoras cuánticas. "Sin embargo, buscar nuevas formas de magnetismo y controlarlas por completo es una tarea extremadamente difícil", afirma el líder del estudio Andrej Pustogow.
Los espines se pueden visualizar como pequeñas agujas de una brújula que pueden alinearse en un campo magnético externo y tener un campo magnético ellos mismos. En el caso del ferromagnetismo, que se utiliza en los imanes permanentes, todos los espines de los electrones se alinean paralelos entre sí. En algunas disposiciones de espines de electrones, por ejemplo en redes cristalinas cuadradas ordinarias tipo tablero de ajedrez, también es posible una alineación antiparalela de los espines:los espines vecinos siempre apuntan alternativamente en direcciones opuestas.
Con redes triangulares (o redes en las que se producen estructuras triangulares, como la red Kagome más compleja), no es posible una disposición completamente antiparalela:si dos esquinas de un triángulo tienen direcciones de giro opuestas, el lado restante debe coincidir con una de las dos direcciones. . Ambas opciones (girar hacia arriba o hacia abajo) son exactamente equivalentes.
"Esta posibilidad de múltiples alternativas idénticas se conoce como 'frustración geométrica' y se produce en estructuras cristalinas con espines electrónicos dispuestos en redes triangulares, kagome o alveolares", explica el físico del estado sólido Pustogow. Como resultado, se forman pares de giros dispuestos aleatoriamente y algunos giros no encuentran pareja en absoluto.
"Los momentos magnéticos no apareados restantes podrían entrelazarse entre sí, manipularse con campos magnéticos externos y así utilizarse para el almacenamiento de datos o para operaciones computacionales en ordenadores cuánticos", afirma Pustogow.
"En los materiales reales todavía estamos lejos de ese estado de frustración ideal. En primer lugar, debemos poder controlar con precisión la simetría de la red cristalina y, por tanto, las propiedades magnéticas", afirma Pustogow. Aunque ya se pueden producir materiales con una fuerte frustración geométrica, todavía no es posible un cambio continuo de una frustración débil a una fuerte y viceversa, especialmente en un mismo cristal.
Para cambiar el magnetismo del material investigado "presionando un botón", los investigadores presionaron el cristal. A partir de una estructura kagome, la red cristalina se deformó por tensión uniaxial, lo que cambió las interacciones magnéticas entre los electrones.
"Utilizamos presión mecánica para forzar al sistema a adoptar una dirección magnética preferida. Como ocurre a veces en la vida real, el estrés reduce la frustración porque se nos impone una decisión y no tenemos que tomarla nosotros mismos", dice Pustogow.
El equipo logró aumentar la temperatura de la transición de fase magnética en más de un 10%. "Esto puede parecer poco a primera vista, pero si el punto de congelación del agua se aumentara, por ejemplo, en un 10%, se congelaría a 27°C, con graves consecuencias para el mundo tal como lo conocemos", explica Pustogow. /P>
Mientras que en el caso actual la presión mecánica redujo la frustración geométrica, el equipo de investigación ahora apunta a aumentar la frustración para eliminar por completo el antiferromagnetismo y crear un líquido de espín cuántico como se describe anteriormente. "La posibilidad de controlar activamente la frustración geométrica mediante tensión mecánica uniaxial abre la puerta a manipulaciones inimaginables de las propiedades del material 'presionando un botón'", dice Pustogow.
Más información: Jierong Wang et al, Liberación controlada de frustración en el entramado de Kagome mediante ajuste de tensión uniaxial, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.256501. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.08613
Información de la revista: Cartas de revisión física , arXiv
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Viena
