Un estudio revela gigantescos momentos magnéticos de fonones mejorados por fluctuaciones en un antiferromagnetismo polar
28 de octubre de 2023, característica
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por Ingrid Fadelli, Phys.org
Los fonones, cuasi partículas asociadas con el sonido o las vibraciones de la red, pueden llevar momento y momento angular. Sin embargo, comúnmente se considera que estas cuasi partículas poseen momentos magnéticos despreciables.
Investigadores de la Universidad de Nanjing y de la Academia China de Ciencias llevaron a cabo recientemente un experimento para investigar los momentos magnéticos de los fonones en Fe2Mo3O8, un antiferromagneto polar. Su estudio, publicado en Nature Physics, reveló gigantes momentos magnéticos de los fonones mejorados por las fluctuaciones de espín en Fe2Mo3O8.
"Los descubrimientos recientes de grandes momentos magnéticos de fonones en sistemas topológicos no magnéticos nos inspiraron a pensar en las propiedades magnéticas de los fonones en un sistema ordenado por espín", dijo Qi Zhang, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org.
"A primera vista, los diversos tipos de interacción entre el espín y la red deberían respaldar grandes momentos magnéticos de fonones en materiales magnéticos, sin embargo, esto aún no se había identificado antes de este trabajo. Los roles de las correlaciones y fluctuaciones de muchas partículas en la formación de los momentos magnéticos de fonones no eran claros"
El objetivo clave del trabajo reciente de Zhang y sus colegas fue comprender mejor la interacción entre los fonones y el magnetismo. Para lograr esto, llevaron a cabo una serie de experimentos en el antiferromagneto Fe2Mo3O8.
"Los grandes momentos magnéticos de los fonones proporcionan una conexión directa entre la vibración de la red y todo tipo de procesos magnéticos, lo que permite nuevas oportunidades para el control fónico de la dinámica magnética, así como nuevos dispositivos de información de espín basados en los momentos magnéticos de los fonones", explicó Zhang. "En cuanto a la elección del material, nos centramos en el multiferroico tipo-Ⅰ Fe2Mo3O8, que presenta un coeficiente Hall térmico notablemente grande, lo que indica un fuerte acoplamiento entre el espín y la red."
En sus experimentos, Zhang y sus colegas utilizaron dos técnicas clave, conocidas como espectroscopía magneto-Raman y dispersión inelástica de neutrones. Estas técnicas les permitieron descubrir la naturaleza fónica de un par de excitaciones de baja energía a 42 cm-1 (5.3 meV) en cristales individuales de Fe2Mo3O8.
"Luego obtuvimos los momentos magnéticos de los fonones de estos modos mediante el efecto Zeeman en los fonones, es decir, midiendo la pendiente del cambio de frecuencia de los fonones en la espectroscopía Raman polarizada bajo campos magnéticos", dijo Zhang. "Se encontró una mejora inusual en los momentos magnéticos de los fonones cerca de los límites entre las fases antiferromagnéticas y paramagnéticas".
Este estudio experimental reciente fue un esfuerzo de investigación conjunto que involucró al equipo del Prof. Yuan Wan en la Academia China de Ciencias y al laboratorio del Prof. Jinsheng Wen en la Universidad de Nanjing. El grupo del Prof. Wan llevó a cabo un análisis de simetría para delinear un modelo mínimo que capturara la física fundamental que subyace al experimento, mientras que el Prof. Wen sintetizó la muestra y realizó las mediciones de neutrones.
"El hallazgo más destacado de este documento es la mejora de las fluctuaciones ferrimagnéticas del 600% en los momentos magnéticos de los fonones cerca de la transición magnética", dijo Zhang. "En principio, esta mejora de las fluctuaciones podría ofrecer momentos magnéticos de fonones que superan el momento magnético de un electrón o un modo magnón (2 magnones de Bohr) e incluso divergen con la susceptibilidad magnética".
Los investigadores finalmente detectaron una mejora sextuplicada en el momento magnético de los fonones en su muestra. En el futuro, su trabajo y el modelo microscópico teórico que resume sus observaciones podrían allanar el camino para nuevos descubrimientos interesantes sobre la interacción entre el magnetismo y los fonones.
"Por un lado, planeamos extender este trabajo al régimen de no equilibrio, por ejemplo, nos interesa la dinámica magnética impulsada por fonones quirales o incluso el ferromagnetismo transitorio", agregó Zhang. "Por otro lado, para un fonón con un gran momento magnético, planeamos explorar cómo se comporta en un proceso de transporte térmico y si puede surgir una versión fónica del efecto Hall de espín en este sistema".
Información de la revista: Nature Physics
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