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CIENCIA. El "grafeno magnético" podría revelar los secretos de la superconductividad

 


Los investigadores han identificado una nueva forma de magnetismo en el llamado grafeno magnético, que podría señalar el camino hacia la comprensión de la superconductividad en este tipo inusual de material.

Los investigadores, dirigidos por la Universidad de Cambridge, pudieron controlar la conductividad y el magnetismo del tiofosfato de hierro (FePS 3 ), un material bidimensional que experimenta una transición de un aislante a un metal cuando se comprime. Esta clase de materiales magnéticos ofrece nuevas rutas para comprender la física de nuevos estados magnéticos y superconductividad.

Utilizando nuevas técnicas de alta presión, los investigadores han demostrado lo que le sucede al grafeno magnético durante la transición de aislante a conductor y a su estado metálico no convencional, realizado solo en condiciones de ultra alta presión. Cuando el material se vuelve metálico, permanece magnético, lo que es contrario a los resultados anteriores y proporciona pistas sobre cómo funciona la conducción eléctrica en la fase metálica. La fase magnética de alta presión recién descubierta probablemente forma un precursor de la superconductividad, por lo que comprender sus mecanismos es vital.

Sus resultados, publicados en la revista Physical Review X , también sugieren una forma en que los nuevos materiales podrían diseñarse para tener propiedades magnéticas y de conducción combinadas, lo que podría ser útil en el desarrollo de nuevas tecnologías como la espintrónica, que podría transformar la forma en que las computadoras procesan la información.

Ilustración de la estructura magnética del tiofosfato de hierro (FePS3), un material bidimensional que experimenta una transición de un aislante a un metal cuando se comprime. Fuente: Universidad de Cambridge

Las propiedades de la materia pueden alterarse dramáticamente con el cambio de dimensionalidad. Por ejemplo, el grafeno, los nanotubos de carbono, el grafito y el diamante están hechos de átomos de carbono, pero tienen propiedades muy diferentes debido a su diferente estructura y dimensionalidad.

"Pero imagínese si también pudiera cambiar todas estas propiedades agregando magnetismo", dijo el primer autor, el Dr. Matthew Coak, que trabaja conjuntamente en el Laboratorio Cavendish de Cambridge y la Universidad de Warwick . “Un material que podría ser mecánicamente flexible y formar un nuevo tipo de circuito para almacenar información y realizar cálculos. Por eso estos materiales son tan interesantes y porque cambian drásticamente sus propiedades cuando se someten a presión para que podamos controlar su comportamiento ”.

En un estudio anterior de Sebastian Haines del Laboratorio Cavendish y el Departamento de Ciencias de la Tierra, los investigadores establecieron que el material se convierte en metal a alta presión y describieron cómo la estructura cristalina y la disposición de los átomos en las capas de este material 2D cambian a través del transición.

Sin embargo, la pieza que falta se ha mantenido, el magnetismo. Sin técnicas experimentales capaces de probar las firmas del magnetismo en este material a presiones tan altas, el equipo internacional tuvo que desarrollar y probar técnicas nuevas para hacerlo posible.

Los investigadores utilizaron nuevas técnicas para medir la estructura magnética hasta altas presiones récord, utilizando neutrones y yunques de diamante especialmente diseñados para actuar como la sonda del magnetismo. Luego pudieron seguir la evolución del magnetismo al estado metálico.

En su artículo anterior, los investigadores mostraron que estos electrones estaban "congelados" en cierto sentido. Pero cuando los hacían fluir o moverse, empezaron a interactuar cada vez más. El magnetismo sobrevive, pero se modifica en nuevas formas, dando lugar a nuevas propiedades cuánticas en un nuevo tipo de metal magnético.

El comportamiento de un material, ya sea conductor o aislante, se basa principalmente en cómo se mueven los electrones o la carga. Sin embargo, se ha demostrado que el "giro" de los electrones es la fuente del magnetismo. El giro hace que los electrones se comporten un poco como pequeños imanes de barra y apunten en cierta dirección. El magnetismo de la disposición de los espines de los electrones se utiliza en la mayoría de los dispositivos de memoria: aprovecharlo y controlarlo es importante para desarrollar nuevas tecnologías, como la espintrónica, que podría transformar la forma en que las computadoras procesan la información.

"No sabemos exactamente qué está sucediendo a nivel cuántico, pero al mismo tiempo, podemos manipularlo. Es como esas famosas 'incógnitas desconocidas': hemos abierto una nueva puerta a las propiedades de la información cuántica, pero aún no sabemos cuáles podrían ser esas propiedades", afirman los autores del estudio.

Hay más compuestos químicos potenciales para sintetizar de los que jamás se podrían explorar y caracterizar por completo. Pero seleccionando y ajustando cuidadosamente materiales con propiedades especiales, es posible mostrar el camino hacia la creación de compuestos y sistemas, pero sin tener que aplicar grandes cantidades de presión.

Además, obtener una comprensión fundamental de fenómenos como el magnetismo de baja dimensión y la superconductividad permite a los investigadores dar los siguientes pasos en la ciencia y la ingeniería de materiales, con un potencial particular en la eficiencia energética, la generación y el almacenamiento.

En cuanto al caso del grafeno magnético, los investigadores planean continuar la búsqueda de superconductividad dentro de este material único. Lo que se está persiguiendo es la superconductividad. Encontrar un tipo de superconductividad que esté relacionada con el magnetismo en un material bidimensional, podría proporcionar una oportunidad de resolver un problema que se remonta a décadas.

Fuentes:

“Emergent Magnetic Phases in Pressure-Tuned van der Waals Antiferromagnet FePS3” by Matthew J. Coak, David M. Jarvis, Hayrullo Hamidov, Andrew R. Wildes, Joseph A. M. Paddison, Cheng Liu, Charles R. S. Haines, Ngoc T. Dang, Sergey E. Kichanov, Boris N. Savenko, Sungmin Lee, Marie Kratochvílová, Stefan Klotz, Thomas C. Hansen, Denis P. Kozlenko, Je-Geun Park and Siddharth S. Saxena, 5 February 2021, Physical Review XDOI: 10.1103/PhysRevX.11.011024

Aaron L. Sharpe et al. Emergent ferromagnetism near three-quarters filling in twisted bilayer graphene, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aaw3780

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