Hace más de medio siglo, el físico japonés Yosuke Nagaoka teorizó una forma en que un campo magnético podría expandirse a partir de electrones serpenteantes que buscan inquietos un lugar para descansar, que era radicalmente diferente de los modelos convencionales de ferromagnetismo. Un fenómeno observado recientemente en una pila de semiconductores alternos podría explicarse por las especulaciones de Nagaoka, aunque arroja algunas sorpresas imprevistas. En un experimento dirigido por investigadores de la ETH Zürich en Suiza, se superpusieron rejillas atómicamente delgadas de dos materiales sintéticos diferentes, como páginas del libro más delgado del mundo, para crear un efecto repetitivo conocido como patrón muaré.
“Estos materiales muaré han despertado un gran interés en los últimos años, ya que pueden utilizarse para investigar muy bien los efectos cuánticos de electrones que interactúan fuertemente”, explica el físico y autor principal del estudio, Ataç Imamoğlu.
“Sin embargo, hasta ahora se sabía muy poco sobre sus propiedades magnéticas”.
El magnetismo es el esfuerzo en equipo de numerosos electrones que se organizan según un contrato cuántico dictado por una propiedad llamada espín. A diferencia de la rotación de una pelota, el espín de un electrón es una característica binaria. Nunca es rápido ni lento, sólo sube o baja. O, si los imagina como pequeños imanes, hacia el norte o hacia el sur.
Dispón suficientes de esos pequeños imanes para que sus giros se alineen. Su comportamiento colectivo permitirá que algo así como un simple trozo de hierro pegue el dibujo de un narciso sonriente de su sobrina en la puerta del refrigerador. Ese acuerdo sobre cómo alinearse es cortesía de una interacción entre electrones sentados tranquilamente en los asientos de la última fila de sus átomos. La ley cuántica dicta que los electrones con el mismo espín realmente deben mantenerse alejados unos de otros, lo que, en las circunstancias adecuadas, crea un patrón que magnifica su magnetismo. En la década de 1960, Nagaoka se dio cuenta de que un tipo similar de disposición podría formarse a través de un acuerdo completamente diferente, uno determinado no por intercambios basados en los espines de los electrones sino por su pasión por los viajes.
Imaginó una cuadrícula, no muy diferente de un paisaje urbano poblado por electrones sentados en las esquinas como músicos callejeros ansiosos. Se dio cuenta de que si se dejaba sólo un rincón vacío, los electrones se moverían, deseosos de encontrar un espacio lo más lejos posible de los otros músicos callejeros cuánticos. Cada salto dejaría una nueva vacante, provocando que un ‘agujero’ saltara de calle en calle.
Guiado por este efecto cinético de las esquinas vacías, podría surgir el mismo efecto a gran escala de espines, generando un campo magnético más exagerado. Es un efecto que desde entonces se ha observado en un pequeño puñado de electrones. Sin embargo, hasta ahora, nadie había observado el magnetismo “cinético” de Nagaoka emergiendo en masa en un material.
“Hasta ahora, estos mecanismos del magnetismo cinético sólo se han detectado en sistemas modelo, por ejemplo en cuatro puntos cuánticos acoplados, pero nunca en sistemas de estado sólido extendidos como el que utilizamos”, afirma Imamoğlu.
Ese sistema constaba de seis capas de dos semiconductores diferentes: diseleniuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno. De manera similar a las cuadrículas de Nagaoka, cada una podría apilarse una encima de la otra de una manera que creara “esquinas de calles” a partir del efecto muaré de los espacios entre las capas.
Una vez que las capas delgadas se enfriaron para eliminar la mayor cantidad posible de oscilaciones térmicas, se aplicó un voltaje para enviar un hilo de electrones. Efectivamente, cada músico callejero encontró una esquina para sacar su estilo especial de música. Sin embargo, a diferencia de lo que imaginaba Nagaoka, el magnetismo sólo apareció cuando hubo un excedente significativo de electrones.
En lugar de dejarse atraer hacia una armonía magnética por la promesa de espacios vacíos, fue la competencia por un lugar armonioso para tocar lo que generó actos duales de corta duración conocidos como doblones. Un número suficiente de estas asociaciones que entraban y desaparecían causaron que el material se volviera magnético de una manera que los físicos nunca antes habían visto. Si bien es poco probable que el proceso conduzca a alguna nueva tecnología (o formas de colocar dibujos de narcisos en los refrigeradores) en el corto plazo, sí brinda a los investigadores información sobre comportamientos que podrían informar la electrónica del futuro.
Esta investigación fue publicada en Nature.
Fuente: Science Alert.
