Descubrimientos Escalofriantes: Físicos de Princeton Revelan Secretos del Magnetismo Cinético

Los investigadores de la Universidad de Princeton han logrado un avance en la comprensión del magnetismo cinético utilizando átomos ultrafríos en una rejilla construida con láser para visualizar un nuevo tipo de polarón, revelando cómo el movimiento de las impurezas en una matriz atómica provoca un magnetismo robusto a altas temperaturas. Crédito: SciTechDaily.com

El equipo de investigación visualizó directamente el objeto microscópico responsable de este magnetismo, un tipo de polarón inusual.

No todos los imanes son iguales. Cuando pensamos en el magnetismo, a menudo pensamos en imanes que se pegan a la puerta de un refrigerador. Para estos tipos de imanes, las interacciones electrónicas que dan lugar al magnetismo se comprenden desde hace un siglo, desde los primeros días de la mecánica cuántica. Pero hay muchas formas diferentes de magnetismo en la naturaleza, y los científicos aún están descubriendo los mecanismos que los impulsan.

Ahora, los físicos de la Universidad de Princeton han logrado un gran avance en la comprensión de una forma de magnetismo conocido como magnetismo cinético, utilizando átomos ultrafríos unidos en una rejilla artificial construida por láser. Sus experimentos, detallados en un artículo publicado esta semana en la revista Nature, permitieron a los investigadores visualizar directamente el objeto microscópico responsable de este magnetismo, un tipo inusual de polarón, o cuasipartícula que surge en un sistema cuántico interactivo.

“Esto es muy emocionante”, dijo Waseem Bakr, profesor de física en Princeton y autor principal del artículo. “Los orígenes del magnetismo están relacionados con el movimiento de las impurezas en la matriz atómica, de ahí el nombre de magnetismo cinético. Este movimiento es altamente inusual y conduce a un magnetismo que es robusto incluso a temperaturas muy altas. Combinado con la sintonizabilidad del magnetismo con la dopación, la adición o eliminación de partículas, el magnetismo cinético es muy prometedor para aplicaciones de dispositivos en materiales reales”.

Bakr y su equipo estudiaron esta novedosa forma de magnetismo a un nivel de detalle nunca antes logrado en investigaciones anteriores. Con el control proporcionado por los sistemas atómicos ultrafríos, los investigadores han podido visualizar, por primera vez, la física de grano fino que da lugar al magnetismo cinético.

Los investigadores de Princeton han visualizado directamente los orígenes microscópicos de un nuevo tipo de magnetismo. Crédito: Max Prichard, grupo de Waseem Bakr en la Universidad de Princeton

“Tenemos la capacidad en nuestro laboratorio de observar este sistema a nivel de un solo átomo y un solo sitio en la rejilla y tomar 'instantáneas' de las sutiles correlaciones cuánticas entre las partículas en el sistema”, dijo Bakr.

Durante varios años, Bakr y su equipo de investigación han estudiado los estados cuánticos experimentando con partículas subatómicas ultrafrías conocidas como fermiones en una cámara al vacío. Han diseñado un aparato sofisticado que enfría los átomos a temperaturas ultrafrías y los carga en cristales artificiales conocidos como redes ópticas creadas con rayos láser. Este sistema ha permitido a los investigadores explorar muchos aspectos interesantes del mundo cuántico que involucran el comportamiento emergente de conjuntos de partículas en interacción.

Un mecanismo propuesto teóricamente para el magnetismo que sentó las bases para los experimentos actuales del equipo se conoce como ferromagnetismo de Nagaoka, en honor a su descubridor Yosuke Nagaoka. Los ferromagnetos son aquellos en los que los estados de giro de los electrones apuntan todos en la misma dirección.

Si bien un ferromagneto con giros alineados es el tipo de imán más conocido, en la configuración teórica más simple, los electrones que interactúan fuertemente en una red tienden al antiferromagnetismo, en el cual los giros se alinean en direcciones alternas. Esta preferencia por la anti-alineación de los giros vecinos ocurre como resultado de un acoplamiento indirecto de los giros de electrones vecinos conocido como superintercambio.

Sin embargo, Nagaoka teorizó que el ferromagnetismo también puede resultar de un mecanismo totalmente diferente, uno determinado por el movimiento de impurezas añadidas intencionalmente, o dopantes. Esto se puede entender mejor imaginando una red cuadrada bidimensional en la que cada sitio de la red, con una excepción, está ocupado por un electrón. El sitio no ocupado (o dopante de hueco) se mueve por la rejilla.

Nagaoka descubrió que si el hueco se mueve en un entorno de giros alineados o un ferromagneto, las diferentes trayectorias para el movimiento del hueco interfieren cuánticamente entre sí. Esto aumenta la difusión de la posición cuántica del hueco y reduce la energía cinética, un resultado favorable.

El teorema de Nagaoka rápidamente ganó reconocimiento porque hay pocas pruebas rigurosas que pretendan explicar los estados fundamentales de los sistemas de electrones que interactúan fuertemente. Pero observar las consecuencias a través de experimentos supuso un desafío difícil debido a los estrictos requisitos del modelo. En el teorema, las interacciones necesitaban ser infinitamente fuertes y solo se permitía un solo dopante. Más de cinco décadas después de que Nagaoka propusiera su teoría, otros investigadores se dieron cuenta de que estas condiciones poco realistas podrían relajarse significativamente en redes con una geometría triangular.

Para realizar el experimento, los investigadores utilizaron vapores de átomos de litio-6. Este isótopo de litio contiene tres electrones, tres protones y tres neutrones. “El número total impar hace que este sea un isótopo fermiónico, lo que significa que los átomos se comportan de manera similar a los electrones en un sistema de estado sólido”, dijo Benjamin Spar, estudiante de posgrado en física en la Universidad de Princeton y coautor principal del papel.

Cuando estos gases se enfrían con láser a temperaturas extremas, solo unas pocas milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto, su comportamiento comienza a ser gobernado por los principios de la mecánica cuántica en lugar de la mecánica clásica más familiar.

“Una vez que hemos logrado este sistema cuántico, lo siguiente que hacemos es cargar los átomos en la red óptica triangular. En la configuración del átomo frío, podemos controlar la rapidez con la que se mueven los átomos o cuán fuertemente interactúan entre sí”, dijo Spar.

En muchos sistemas de interacción fuerte, las partículas en una red se organizan en un "aislante de Mott", que es un estado de la materia en el que una sola partícula ocupa cada sitio de la red. En este estado, hay interacciones antiferromagnéticas débiles debido al superintercambio entre el spin de los electrones en los sitios vecinos. Pero en lugar de usar un aislante de Mott, los investigadores utilizaron una técnica llamada "dopaje", que elimina algunas partículas, dejando "agujeros" en la red, o agrega partículas extra.

“No comenzamos con un átomo por sitio en nuestro experimento”, dijo Bakr. “En cambio, dopamos la red con agujeros o partículas. Y cuando haces esto, descubres que existe una forma más robusta de magnetismo que se observa en estos sistemas con una escala de energía más alta que el magnetismo de superintercambio habitual. Esta escala de energía tiene que ver con el salto de los átomos en la red”.

Aprovechando los espacios del sitio de la red mucho más grandes en las redes ópticas en comparación con los materiales reales, los investigadores pudieron ver lo que estaba ocurriendo en el nivel de un solo sitio con un microscopio óptico. Descubrieron que los objetos responsables de esta nueva forma de magnetismo son un nuevo tipo de polarón magnético.

“Un polarón es una cuasipartícula que surge en un sistema cuántico con muchos componentes que interactúan”, dijo Bakr. “Actúa como una partícula regular, en el sentido de que tiene propiedades como una carga, un spin y una masa efectiva, pero no es una partícula real como un átomo. En este caso, es un dopante que se mueve con una perturbación en su entorno magnético, o cómo los spins a su alrededor están alineados entre sí”.

En materiales reales, esta nueva forma de magnetismo se ha observado previamente en los llamados materiales de moiré que consisten en cristales bidimensionales apilados, y esto solo ha ocurrido en el último año.

“Las sondas de magnetismo disponibles para estos materiales son limitadas. Los experimentos con materiales moiré han medido efectos macroscópicos, asociados a cómo responde una gran pieza de material cuando se aplica un campo magnético”, dijo Spar. “Con la configuración del átomo frío, podemos profundizar en la física microscópica responsable del magnetismo. Hemos tomado imágenes detalladas que revelan las correlaciones de spin alrededor de los dopantes móviles. Por ejemplo, descubrimos que un dopante de agujero se rodea de spins anti-alineados a medida que se mueve, mientras que un dopante de partículas hace lo contrario, rodeándose de spins alineados”.

Esta investigación tiene implicaciones de gran alcance en la física de la materia condensada, incluso más allá de entender la física del magnetismo. Por ejemplo, se ha hipotetizado que versiones más complejas de estos polarones conducen a mecanismos para que los dopantes de agujero se emparejen, lo que puede resultar en superconductividad a altas temperaturas.

“La parte más emocionante de esta investigación es que es verdaderamente concurrente con los estudios en la comunidad de la materia condensada”, dijo Max Prichard, estudiante de posgrado y coautor principal del papel. “Estamos en una posición única para proporcionar perspectivas a un problema oportuno desde un ángulo totalmente diferente, y todas las partes se benefician”.

Mirando hacia el futuro, los investigadores ya están ideando nuevas e innovadoras formas de sondear aún más esta nueva y exótica forma de magnetismo, e investigar el polarón de spin con mayor detalle.

“In this first experiment, we’ve simply taken snapshots of the polaron, which is only the first step,” said Prichard. “But we’re now interested in doing a spectroscopic measurement of the polarons. We want to see how long the polarons live in the interacting system, to measure the energy binding together a polaron’s constituents and its effective mass as it propagates in the lattice. There is a lot more to do.” 

Other members of the team are Zoe Yan, now at the University of Chicago, and theorists Ivan Morera, University of Barcelona, Spain, and Eugene Demler, Institute of Theoretical Physics in Zurich, Switzerland. The experimental work was supported by the National Science Foundation, the Army Research Office and the David and Lucile Packard Foundation.