Imagina una pelota. Lo sitúas en un paisaje con muchos valles casi idénticos. Una pequeña inclinación en una dirección y rueda hacia abajo por un valle. Un suave cambio en otra dirección y baja por otra diferente.
Así es como Yuita Fujisawa, profesora asistente de la Universidad de Hiroshima en Japón, explicó cómo el magnetismo puede alterar el equilibrio entre estados electrónicos en competencia, haciendo que la disposición electrónica de los materiales cuánticos se transforme de, digamos, un patrón de rayas a un patrón de tablero de ajedrez.
Fujisawa y sus colegas describen el fenómeno en un artículo publicado en la revista Nature Communications, en el que muestran cómo el magnetismo puede reorganizar la estructura electrónica del triteluro de cerio (CeTe₃), un material cuántico compuesto de átomos de cerio y telurio que comparte ciertas características con el grafeno. Se publicó un segundo artículo complementario en Physical Review B.
“Lo que encuentro más interesante es que un campo magnético puede cambiar entre patrones electrónicos con diferentes orientaciones y periodicidades”, dijo Fujisawa a Discover. “Ya es raro que un solo material albergue múltiples patrones que difieren tanto en su dirección como en su espaciado; poder seleccionar entre ellos con un campo magnético es aún más inusual”.
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Un patrón cambiante
El descubrimiento fue inesperado. En ese momento, los materiales magnéticos atómicamente delgados estaban emergiendo como un tema candente de investigación, dijo Fujisawa, y el equipo estaba investigando la disposición de los electrones en el metal de tierras raras CeTe₃, un material en capas bidimensional.
Utilizando microscopía de efecto túnel (STM), Fujisawa y sus colegas determinaron la disposición de los electrones de cerio y telurio en CeTe₃ a temperaturas extremadamente bajas. Inicialmente, los electrones aparecían en un patrón de rayas. Pero cuando se añadió un campo magnético, sucedió algo extraño.
“Me di cuenta de que el patrón presente en el campo magnético cero había desaparecido, lo que me desconcertó. Recuerdo haber inclinado la cabeza confundido”, dijo Fujisawa. “Entonces me di cuenta de que en su lugar había surgido un patrón de tablero de ajedrez y me quedé realmente sorprendido”.
Frustración y giro
Entonces, ¿qué está pasando exactamente? La clave está en un concepto conocido como frustración y en una propiedad cuántica del CeTe₃ llamada espín.
Los investigadores explican que, si bien los electrones de la capa de teluro son muy móviles y se organizan naturalmente en patrones reglamentados, los electrones de cerio permanecen muy localizados. Gracias al espín, los electrones del cerio actúan como imanes en miniatura.
En la mayoría de los sistemas magnéticos, existe una dirección que permite al giro minimizar su energía. Pero este no es el caso de los sistemas magnéticos frustrados, como el CeTe₃. En cambio, pueden formar múltiples patrones de baja energía y no mostrar preferencia entre ellos.
Sin embargo, Fujisawa y su equipo han demostrado que es posible cambiar el equilibrio entre los estados electrónicos en competencia y alterar el patrón (cambiándolo de rayas a tablero de ajedrez, por ejemplo) utilizando un campo magnético.
La lenta y constante acumulación de ciencia
El estudio es “un hermoso ejemplo de la eficacia de sondear estados electrónicos en materiales cuánticos utilizando STM”, dijo a Discover Stephen Blundell, profesor de física que no participó en la investigación. “Las técnicas utilizadas y desarrolladas son todas parte de la acumulación lenta y constante de ciencia que es necesaria para que la ciencia progrese”.
Es demasiado pronto para decir cuál será la aplicación práctica de esta investigación, afirmó Fujisawa. “Sin embargo, la característica distintiva es que un campo magnético cambia no sólo la fuerza de un estado electrónico, sino también su patrón espacial, incluyendo su orientación, periodicidad y simetría”.
“Podrían habilitar memorias multiestado o dispositivos electrónicos reconfigurables, funciones que son difíciles de lograr con materiales convencionales”, añadió.
Mientras tanto, espera investigar cómo la dirección del campo magnético aplicado influye en el estado magnético y explorar otros sistemas materiales.
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