Los científicos han revelado cómo las vibraciones y los espines de la red se comunican entre sí en una excitación híbrida conocida como electromagnón. Para lograrlo, utilizaron una combinación única de experimentos con el láser de electrones libres de rayos X SwissFEL. Comprender este proceso fundamental a nivel atómico abre la puerta al control ultrarrápido del magnetismo con luz.
Dentro de la red atómica de un sólido, las partículas y sus diversas propiedades cooperan en movimientos ondulatorios conocidos como excitaciones colectivas. Cuando los átomos en una red se mueven entre sí, la excitación colectiva se conoce como fonón. De manera similar, cuando los espines atómicos (la magnetización de los átomos) se mueven juntos, se conoce como magnón.
La situación se vuelve más compleja. Algunas de estas excitaciones colectivas se comunican entre sí en las llamadas excitaciones híbridas. Una de esas excitaciones híbridas es un electromagnón. Los electromagnones reciben su nombre por su capacidad, a diferencia de los magnones convencionales, de excitar los espines atómicos mediante el campo eléctrico de la luz:una perspectiva apasionante para numerosas aplicaciones técnicas. Sin embargo, su vida secreta a nivel atómico no se comprende bien.
Se sospecha que durante un electromagnón, los átomos de la red se mueven y los espines se tambalean en una excitación que es esencialmente una combinación de un fonón y un magnón. Sin embargo, desde que se propusieron por primera vez en 2006, sólo se ha medido el movimiento de giro. Cómo se mueven los átomos dentro de la red (si es que se mueven) sigue siendo un misterio. Así también entiende cómo se comunican los dos componentes entre sí.
Ahora, en una sofisticada serie de experimentos en el láser suizo de rayos X de electrones libres SwissFEL, los investigadores de PSI han agregado estas piezas faltantes al rompecabezas. "Con una mejor comprensión de cómo funcionan estas excitaciones híbridas, ahora podemos empezar a buscar oportunidades para manipular el magnetismo en una escala de tiempo ultrarrápida", explica Urs Staub, jefe del Grupo de Microscopía y Magnetismo de PSI, quien dirigió el estudio. P>
En sus experimentos en SwissFEL, los investigadores utilizaron un pulso láser de terahercios para inducir un electromagnón en un cristal de hexaferrita multiferroica. Utilizando experimentos de difracción de rayos X resueltos en el tiempo, tomaron instantáneas ultrarrápidas de cómo se movían los átomos y los espines en respuesta a la excitación. Con esto, demostraron que los átomos dentro de la red realmente se mueven en un electromagnón y revelaron cómo se transfiere la energía entre la red y el espín.
Un resultado sorprendente de su estudio fue que los átomos se mueven primero y los espines se mueven una fracción más tarde. Cuando el pulso de terahercios golpea el cristal, el campo eléctrico pone los átomos en movimiento, iniciando la parte fonónica del electromagnón. Este movimiento crea un campo magnético efectivo que posteriormente mueve los espines.
"Nuestros experimentos revelaron que la excitación no mueve los espines directamente. Hasta ahora no estaba claro si esto sería así", explica Hiroki Ueda, científico de líneas de luz en SwissFEL y primer autor de la publicación.
Yendo más lejos, el equipo también pudo cuantificar cuánta energía adquiere el componente fonónico del pulso de terahercios y cuánta energía adquiere el componente magnónico a través de la red. "Ésta es una información importante para futuras aplicaciones en las que se busque controlar el sistema magnético", añade Ueda.
La clave de su descubrimiento fue la capacidad de medir tanto los movimientos atómicos como los espines en experimentos complementarios de difracción de rayos X resueltos en el tiempo en las líneas de rayos X duros y blandos de SwissFEL.
Utilizando rayos X duros en la estación experimental Bernina, el equipo estudió el movimiento de los átomos dentro de la red. La configuración recientemente desarrollada de la estación experimental, que incluye cámaras de muestra especialmente diseñadas, permite realizar mediciones ultrarrápidas únicas utilizando campos de terahercios en sólidos a temperaturas muy bajas.
Para estudiar el movimiento de los espines, el equipo utilizó rayos X suaves, que son más sensibles a los cambios en los sistemas magnéticos. Estos experimentos se realizaron en la estación experimental de Furka, que recientemente entró en funcionamiento. Al sintonizar la energía de los rayos X con una resonancia del material, podrían centrarse específicamente en la señal de los espines, información que normalmente está enmascarada.
"La sola medición de la parte fonónica en Bernina fue un gran paso adelante. Poder acceder también al movimiento magnético con Furka es una posibilidad experimental que casi no existe en ningún otro lugar del mundo", comenta Staub.
Ueda, Staub y sus colegas han permitido comprender el origen microscópico de un electromagnón. Esta comprensión es importante no sólo para este proceso físico sino en un sentido más general.
Las interacciones fundamentales entre la red y los espines sustentan muchos efectos físicos que dan lugar a propiedades materiales inusuales (y potencialmente muy útiles):por ejemplo, la superconductividad a alta temperatura. Sólo con una mejor comprensión de tales efectos se logra el control.
El estudio se publica en la revista Nature Communications. .
Más información: Hiroki Ueda et al, Dinámica de no equilibrio del acoplamiento de red de espín, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43581-9
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por el Instituto Paul Scherrer
