¿Forma el grafeno un nuevo tipo de magnetismo?


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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.

Nuevas formas de entender la física

Los investigadores, dirigidos por la Universidad de Cambridge, lograron controlar la conductividad y el magnetismo del tiofosfato de hierro (FePS3), un material bidimensional que experimenta una transición de aislante a metal cuando se comprime. Esta clase de materiales magnéticos ofrece nuevas vías para comprender la física de los nuevos estados magnéticos y la superconductividad.

Utilizando nuevas técnicas de alta presión, los investigadores han demostrado lo que ocurre con el grafeno magnético durante la transición de aislante a conductor y a su estado metálico no convencional, realizado sólo en condiciones de ultra alta presión. Cuando el material se convierte en metálico, sigue siendo magnético, lo que contradice los resultados anteriores y proporciona pistas sobre el funcionamiento de la conducción eléctrica en la fase metálica. La fase magnética de alta presión recién descubierta es probablemente la precursora de la superconductividad, por lo que es vital comprender sus mecanismos.

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

Las propiedades de la materia pueden alterarse drásticamente al cambiar la 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.

 

Los investigadores utilizaron nuevas técnicas

"Pero imagínese que también se pudieran cambiar todas estas propiedades añadiendo magnetismo", dijo el primer autor, el Dr. Matthew Coak, que trabaja conjuntamente en el Laboratorio Cavendish de Cambridge y en 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, porque cambian drásticamente sus propiedades cuando se les somete a presión y podemos controlar su comportamiento".

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

"Sin embargo, aún faltaba la pieza, el magnetismo", dijo Coak. "Al no haber técnicas experimentales capaces de sondear las firmas del magnetismo en este material a presiones tan altas, nuestro equipo internacional tuvo que desarrollar y probar nuestras propias técnicas nuevas para hacerlo posible".

Los investigadores utilizaron nuevas técnicas para medir la estructura magnética hasta presiones elevadas que baten récords, utilizando yunques de diamante especialmente diseñados y neutrones que actúan como sonda del magnetismo. Así pudieron seguir la evolución del magnetismo hacia el estado metálico.

"Para nuestra sorpresa, descubrimos que el magnetismo sobrevive y, en cierto modo, se refuerza", dijo el coautor, el Dr. Siddharth Saxena, jefe de grupo del Laboratorio Cavendish. "Esto es inesperado, ya que los electrones que acaban de vagar libremente en un material que acaba de ser conductor ya no pueden quedar atrapados en sus átomos de hierro madre, generando allí momentos magnéticos, a menos que la conducción provenga de una fuente inesperada".

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

 

Desarrollo de nuevas tecnologías

El comportamiento de un material, ya sea conductor o aislante, se basa principalmente en el movimiento de los electrones, o de la carga. Sin embargo, se ha demostrado que el "espín" de los electrones es la fuente del magnetismo. El espín hace que los electrones se comporten un poco como pequeños imanes de barra y apunten en una determinada dirección. El magnetismo derivado 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 los ordenadores procesan la información.

"La combinación de ambos, la carga y el espín, es la clave de cómo se comporta este material", afirma el coautor, el Dr. David Jarvis, del Instituto Laue-Langevin (Francia), que realizó este trabajo como base de sus estudios de doctorado en el Laboratorio Cavendish. "Encontrar este tipo de multifuncionalidad cuántica es otro salto adelante en el estudio de estos materiales".

"No sabemos exactamente lo que ocurre a nivel cuántico, pero al mismo tiempo podemos manipularlo", afirma Saxena. "Es como esas famosas 'incógnitas desconocidas': hemos abierto una nueva puerta a las propiedades de la información cuántica, pero aún no sabemos cuáles pueden ser esas propiedades".

Hay más compuestos químicos potenciales para sintetizar de los que 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 enormes cantidades de presión.

Además, la obtención de conocimientos fundamentales sobre fenómenos como el magnetismo de baja dimensión y la superconductividad permite a los investigadores dar los siguientes saltos en la ciencia y la ingeniería de materiales, con especial potencial en la eficiencia, la generación y el almacenamiento de energía.

En el caso del grafeno magnético, los investigadores planean continuar la búsqueda de la superconductividad en este material único. "Ahora que tenemos una idea de lo que le ocurre a este material a alta presión, podemos hacer algunas predicciones sobre lo que podría ocurrir si intentamos afinar sus propiedades mediante la adición de electrones libres al comprimirlo más", dijo Coak.

"Lo que perseguimos es la superconductividad", dijo Saxena. "Si podemos encontrar un tipo de superconductividad que esté relacionada con el magnetismo en un material bidimensional, podría darnos la oportunidad de resolver un problema que se remonta a décadas atrás".