Los investigadores han descubierto monopolos magnéticos (cargas magnéticas aisladas) en un material estrechamente relacionado con el óxido, un resultado que podría utilizarse para impulsar tecnologías informáticas más ecológicas y rápidas.
Investigadores dirigidos por la Universidad de Cambridge utilizaron una técnica conocida como detección cuántica de diamantes para observar texturas arremolinadas y débiles señales magnéticas en la superficie de la hematita, un tipo de óxido de hierro.
Los investigadores observaron que los monopolos magnéticos de la hematita surgen mediante el comportamiento colectivo de muchos espines (el momento angular de una partícula). Estos monopolos se deslizan a través de las texturas arremolinadas de la superficie de la hematita como pequeños discos de hockey con carga magnética. Esta es la primera vez que se observan experimentalmente monopolos emergentes naturales.
La investigación también ha demostrado la conexión directa entre las texturas arremolinadas previamente ocultas y las cargas magnéticas de materiales como la hematita, como si hubiera un código secreto que los uniera. Los resultados, que podrían ser útiles para habilitar aplicaciones lógicas y de memoria de próxima generación, se publican en la revista Nature Materials. .
Según las ecuaciones de James Clerk Maxwell, un gigante de la física de Cambridge, los objetos magnéticos, ya sea un imán de nevera o la propia Tierra, siempre deben existir como un par de polos magnéticos que no pueden aislarse.
"Los imanes que utilizamos a diario tienen dos polos:norte y sur", afirmó el profesor Mete Atatüre, que dirigió la investigación. "En el siglo XIX, se planteó la hipótesis de que podrían existir monopolos. Pero en una de sus ecuaciones fundamentales para el estudio del electromagnetismo, James Clerk Maxwell no estuvo de acuerdo."
Atatüre es director del Laboratorio Cavendish de Cambridge, cargo que alguna vez ocupó el propio Maxwell. "Si los monopolos existieran y pudiéramos aislarlos, sería como encontrar una pieza faltante de un rompecabezas que se suponía perdida", afirmó.
Hace unos 15 años, los científicos sugirieron cómo podrían existir monopolos en un material magnético. Este resultado teórico se basó en la separación extrema de los polos norte y sur, de modo que, localmente, cada polo parecía aislado en un material exótico llamado spin ice.
Sin embargo, existe una estrategia alternativa para encontrar monopolos que involucra el concepto de emergencia. La idea de emergencia es la combinación de muchas entidades físicas que pueden dar lugar a propiedades que son mayores o diferentes de la suma de sus partes.
Trabajando con colegas de la Universidad de Oxford y la Universidad Nacional de Singapur, los investigadores de Cambridge utilizaron la emergencia para descubrir monopolos repartidos en un espacio bidimensional, deslizándose a través de las texturas arremolinadas en la superficie de un material magnético.
Las texturas topológicas arremolinadas se encuentran en dos tipos principales de materiales:ferromagnetos y antiferromagnetos. De los dos, los antiferroimanes son más estables que los ferromagnetos, pero son más difíciles de estudiar ya que no tienen una firma magnética fuerte.
Para estudiar el comportamiento de los antiferroimanes, Atatüre y sus colegas utilizan una técnica de imágenes conocida como magnetometría cuántica de diamante. Esta técnica utiliza un único espín (el momento angular inherente de un electrón) en una aguja de diamante para medir con precisión el campo magnético en la superficie de un material, sin afectar su comportamiento.
Para el estudio actual, los investigadores utilizaron la técnica para observar la hematita, un material de óxido de hierro antiferromagnético. Para su sorpresa, encontraron patrones ocultos de cargas magnéticas dentro de la hematita, incluidos monopolos, dipolos y cuadrupolos.
"Los monopolos se habían predicho teóricamente, pero esta es la primera vez que hemos visto un monopolo bidimensional en un imán natural", dijo el coautor, el profesor Paolo Radaelli de la Universidad de Oxford.
"Estos monopolos son un estado colectivo de muchos espines que giran alrededor de una singularidad en lugar de una sola partícula fija, por lo que emergen a través de interacciones de muchos cuerpos. El resultado es una pequeña partícula estable localizada de la que sale un campo magnético divergente". dijo el coautor primero, el Dr. Hariom Jani, de la Universidad de Oxford.
"Hemos demostrado cómo la magnetometría cuántica de diamantes podría usarse para desentrañar el misterioso comportamiento del magnetismo en materiales cuánticos bidimensionales, lo que podría abrir nuevos campos de estudio en esta área", dijo el coautor Dr. Anthony Tan de la Laboratorio Cavendish. "El desafío siempre ha sido obtener imágenes directas de estas texturas en antiferroimanes debido a su atracción magnética más débil, pero ahora podemos hacerlo con una buena combinación de diamantes y óxido".
El estudio no sólo destaca el potencial de la magnetometría cuántica del diamante, sino que también subraya su capacidad para descubrir e investigar fenómenos magnéticos ocultos en materiales cuánticos. Si se controlan, estas texturas arremolinadas vestidas con cargas magnéticas podrían impulsar una lógica de memoria de computadora súper rápida y energéticamente eficiente.
Más información: Mete Atatüre et al, Revelando carga magnética emergente en un antiferroimán con magnetometría cuántica de diamante, Materiales naturales (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01737-4. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2303.12125
Información de la revista: Materiales naturales , arXiv
Proporcionado por la Universidad de Cambridge
