Hasta ahora, existían dos tipos básicos de magnetismo: el ferromagnetismo, común, por ejemplo, en los imanes de nevera, y el antiferromagnetismo. Pero ahora los investigadores han logrado demostrar experimentalmente un tercer tipo de magnetismo: el magnetismo alterado. En este caso los espines magnéticos de los átomos no están alineados como en un ferroimán, sino de forma alterna, como en un antiferroimán. Sin embargo, un fuerte campo magnético actúa sobre los electrones de este material. Estos campos pueden modular las corrientes eléctricas de forma similar a los ferroimanes y, por tanto, podrían permitir nuevas aplicaciones en electrónica y espintrónica.
El fenómeno del ferromagnetismo se conoce desde hace miles de años: nuestros antepasados descubrieron que algunos materiales atraían el hierro, por ejemplo, e incluso podían volverlo magnético. Esta propiedad se utilizó posteriormente, entre otras cosas, para las agujas de las brújulas. El campo magnético de un ferroimán surge porque los espines magnéticos de sus átomos están todos alineados en la misma dirección. El segundo tipo de magnetismo, conocido desde hace más de un siglo, es el antiferromagnetismo, mucho más frecuente en la naturaleza. En los antiferromagnetos, las direcciones de los campos magnéticos atómicos de los átomos cercanos se alternan como los colores blanco y negro en un tablero de ajedrez. Debido a que sus momentos magnéticos están igualados, los antiferroimanes no tienen campo magnético externo: los imanes de refrigerador fabricados con este material simplemente se caerían del refrigerador. Hasta ahora, así se sabe.
Características de los ferromagnetos y antiferromagnetos combinados.
Pero en 2019, físicos de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) y del Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias postularon la existencia de materiales que exhiben una forma poco convencional de magnetismo. En 2021 lo caracterizaron como un tercer tipo de magnetismo, alter magnetismo, que más o menos significa “magnetismo de cambio”. “Los alterimanes combinan esencialmente las propiedades de los ferromagnetos y los antiferromagnetos. Lo que tienen en común con los antiferromagnetos es que los momentos magnéticos cercanos son siempre antiparalelos entre sí, por lo que no se produce magnetización macroscópica; «Con los ferromagnetos se forma una corriente polarizada por espín», explica Hans-Joachim Elmers de la Universidad de Mainz. Al igual que los antiferromagnetos, los altermagnetos no producen un campo magnético medible externamente, porque cuando se observan a través de todo el altermagnético, los efectos magnéticos Las fuerzas se anulan entre sí, pero si se reduce el “campo de visión” y se mira sólo a los electrones que se mueven en una determinada dirección, tienen un espín uniforme y están sujetos a fuertes fuerzas magnéticas.
«Este fenómeno de ordenamiento no tiene nada que ver con el orden espacial, es decir, con la posición de los electrones, sino sólo con las direcciones de las velocidades de los electrones», explica Elmers. Lo interesante es que, basándose en algunas características de la estructura cristalina, los científicos han identificado más de 200 candidatos al altermagnetismo que tienen propiedades de aislantes, semiconductores, metales e incluso superconductores. Esto abre, en teoría, posibilidades completamente nuevas para aplicaciones nanomagnéticas y espintrónicas. «Los alterimanes pueden provocar una gran cantidad de fenómenos nuevos que no ocurren con los ferromagnetos o antiferroimanes convencionales», explican el autor principal Juraj Krempasky del Instituto Paul Scherrer en Villigen y sus colegas. Sin embargo, hasta el momento no se dispone de ningún método para demostrar claramente el magnetismo de la edad de forma experimental. Krempasky y su equipo han logrado este objetivo.
Evidencia de separación de espín agemagnético en telururo de manganeso
Para su experimento, el equipo de investigación utilizó el compuesto cristalino telururo de manganeso (MnTe). Anteriormente se consideraba un antiferroimán clásico porque los momentos magnéticos de los átomos de manganeso cercanos apuntan en direcciones opuestas y, por lo tanto, no crean un campo magnético externo alrededor del material. Pero Krempasky y su equipo sospechaban que el telururo de manganeso era en realidad un imán de edad. Para demostrarlo, los físicos primero utilizaron predicciones teóricas para predecir qué firmas debería producir el material como antiferroimán y alterar el imán en la espectroscopia de fotoemisión de rayos X. Según las predicciones, el alterimán debería revelarse dividiendo sus electrones en bandas de energía con diferentes espines, similar a los ferromagnetos. De hecho, este mismo efecto se demostró en el siguiente experimento. La magnitud y la forma de la división del espín fueron consistentes con la división altermagnética predicha por los cálculos de la mecánica cuántica.
«Esta es una prueba directa de que el MnTe no es ni un antiferroimán convencional ni un ferroimán convencional, sino que pertenece a una nueva rama de materiales magnéticos relacionada con la edad», afirma el coautor Libor Šmejkal, de la Universidad de Mainz. Las mediciones también muestran que el magnetismo alterado está estrechamente relacionado con las simetrías de los cristales y las formas de los átomos del material. «Esta base en la simetría cristalina hace que la alteración del magnetismo sea una de las fases fundamentales de la materia, algo que, sorprendentemente, falta desde hace casi un siglo en la teoría de bandas de los sólidos», afirman los físicos.
Fuente: Juraj Krempasky (Instituto Paul Scherrer, Villigen) et./ Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06907-7
