Físicos reportan nuevas ideas sobre partículas exóticas clave para el magnetismo

1 de agosto de 2024

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corregido por Elizabeth A. Thomson, Massachusetts Institute of Technology

Los físicos del MIT y sus colegas informan sobre nuevas ideas relacionadas con partículas exóticas clave para una forma de magnetismo que ha generado un creciente interés porque proviene de materiales ultradelgados con solo unas pocas capas atómicas de grosor. El trabajo, que podría impactar en futrónicos y más, también establece una nueva forma de estudiar estas partículas a través de un potente instrumento en la National Synchrotron Light Source II en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.

Entre sus descubrimientos, el equipo ha identificado el origen microscópico de estas partículas, conocidas como excitones. Mostraron cómo pueden ser controlados químicamente mediante 'ajuste' del material, que está compuesto principalmente de níquel. Además, encontraron que los excitones se propagan a lo largo del material masivo en lugar de estar ligados a los átomos de níquel.

Finalmente, demostraron que el mecanismo detrás de estos descubrimientos es común a materiales similares basados en níquel, abriendo la puerta para identificar y controlar nuevos materiales con propiedades electrónicas y magnéticas especiales.

Los resultados de acceso abierto se informan en el número del 12 de julio de Physical Review X.

'Básicamente hemos desarrollado una nueva dirección de investigación para estudiar estos materiales magnéticos bidimensionales que depende en gran medida de un método espectroscópico avanzado, dispersión resonante inelástica de rayos X (RIXS), disponible en el Laboratorio Nacional de Brookhaven,' dice Riccardo Comin, Profesor Asociado en Desarrollo Profesional de la Clase de 1947 del MIT en Física y líder del trabajo.

Los materiales magnéticos en el centro del trabajo actual son conocidos como dihaluros de níquel. Están compuestos por capas de átomos de níquel intercalados entre capas de átomos de halógeno (los halógenos son una familia de elementos), que se pueden aislar en capas delgadas a nivel atómico. En este caso, los físicos estudiaron las propiedades electrónicas de tres materiales diferentes compuestos por níquel y los halógenos cloro, bromo o yodo. A pesar de su estructura engañosamente simple, estos materiales albergan una variedad rica de fenómenos magnéticos.

El equipo estaba interesado en cómo responden las propiedades magnéticas de estos materiales cuando se exponen a la luz. Estaban interesados particularmente en partículas específicas: los excitones, y en cómo están relacionados con el magnetismo subyacente. ¿Cómo se forman exactamente? ¿Pueden ser controlados?

Un material sólido está compuesto por diferentes tipos de partículas elementales, como protones y electrones. También son ubícuos en tales materiales los 'cuasipartículas' con las que el público está menos familiarizado. Estos incluyen excitones, que están compuestos por un electrón y un 'agujero', o el espacio dejado atrás cuando la luz se proyecta sobre un material y la energía de un fotón hace que un electrón salte de su posición habitual.

A través de los misterios de la mecánica cuántica, sin embargo, el electrón y el agujero siguen conectados y pueden 'comunicarse' entre sí a través de interacciones electrostáticas. Esta interacción da como resultado una nueva partícula compuesta formada por el electrón y el agujero: un excitón.

Los excitones, a diferencia de los electrones, no tienen carga pero poseen espín. El espín se puede pensar como un imán elemental, en el que los electrones son como pequeñas agujas que se orientan de cierta forma. En un imán común de refrigerador, todos los espines apuntan en la misma dirección. En general, los espines pueden organizarse en otros patrones que llevan a diferentes tipos de imanes. El magnetismo único asociado con los dihaluros de níquel es una de estas formas menos convencionales, lo que lo hace atractivo para la investigación fundamental y aplicada.

El equipo del MIT exploró cómo se forman los excitones en los dihaluros de níquel. Más específicamente, identificaron las energías exactas, o longitudes de onda, de la luz necesaria para crearlos en los tres materiales que estudiaron.

'Fuimos capaces de medir e identificar la energía necesaria para formar los excitones en tres dihaluros de níquel diferentes ajustando químicamente el átomo de halógeno de cloro a bromo y a yodo,' dice Occhialini. 'Este es un paso esencial para entender cómo los fotones, la luz, podrían usarse algún día para interactuar o monitorear el estado magnético de estos materiales.' Las aplicaciones finales incluyen la computación cuántica y sensores novedosos.