Las interacciones magnéticas recién descubiertas podrían conducir a formas novedosas de manipular el flujo de electrones

Interacciones magnéticas recién descubiertas en el imán topológico en capas de Kagome TbMn₆sn₆ podría ser la clave para personalizar cómo fluyen los electrones a través de estos materiales. Científicos del Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de EE. UU. y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge llevaron a cabo una investigación en profundidad de TbMn₆sn₆ para comprender mejor el material y sus características magnéticas. Estos resultados podrían afectar los futuros avances tecnológicos en campos como la computación cuántica, los medios de almacenamiento magnético y los sensores de alta precisión.

Los kagomes son un tipo de material cuya estructura lleva el nombre de una técnica tradicional japonesa de cestería. El tejido produce un patrón de hexágonos rodeados de triángulos y viceversa. La disposición de los átomos en los metales Kagome reproduce el patrón de tejido. Esta característica hace que los electrones dentro del material se comporten de formas únicas.

Los materiales sólidos tienen propiedades electrónicas controladas por las características de su estructura de bandas electrónicas. La estructura de la banda depende en gran medida de la geometría de la red atómica y, a veces, las bandas pueden mostrar formas especiales, como conos. Estas formas especiales, llamadas características topológicas, son responsables de las formas únicas en que se comportan los electrones en estos materiales. La estructura de Kagome en particular conduce a características complejas y potencialmente ajustables en las bandas electrónicas.

Uso de átomos magnéticos para construir la red de estos materiales, como Mn en TbMn₆sn₆, puede ayudar aún más a inducir características topológicas. Rob McQueeney, científico de Ames Lab y líder del proyecto, explicó que los materiales topológicos «tienen una propiedad especial en la que, bajo la influencia del magnetismo, se pueden obtener corrientes que fluyen en el borde del material, que no tienen disipación, lo que significa que el los electrones no se dispersan y no disipan energía».

El equipo se propuso comprender mejor el magnetismo en TbMn₆sn₆ y utilizaron cálculos y datos de dispersión de neutrones recopilados de la fuente de neutrones por espalación de Oak Ridge para realizar su análisis. Simon Riberolles, investigador asociado postdoctoral en Ames Lab y miembro del equipo del proyecto, explicó la técnica experimental que utilizó el equipo. La técnica implica un haz de partículas de neutrones que se utiliza para probar qué tan rígido es el orden magnético. «La naturaleza y la fuerza de las diferentes interacciones magnéticas presentes en los materiales se pueden trazar utilizando esta técnica», dijo.

Descubrieron que TbMn₆sn₆ tiene interacciones competitivas entre las capas, o lo que se llama magnetismo frustrado. «Así que el sistema tiene que hacer un compromiso», dijo McQueeney, «Por lo general, lo que eso significa es que si lo tocas, puedes hacer que haga cosas diferentes. Pero lo que descubrimos en este material es que, aunque los que compiten las interacciones están ahí, hay otras interacciones que son dominantes».

Esta es la primera investigación detallada de las propiedades magnéticas de TbMn₆sn₆ para ser publicado. «En la investigación, siempre es emocionante cuando descubres que entiendes algo nuevo, o mides algo que no se ha visto antes, o que se entendió parcialmente o de una manera diferente», dijo Riberolles.

McQueeney y Riberolles explicaron que sus hallazgos sugieren que el material podría ajustarse potencialmente para características magnéticas específicas, por ejemplo, cambiando el Tb por un elemento de tierra rara diferente, lo que cambiaría el magnetismo del compuesto. Esta investigación fundamental allana el camino para avances continuos en el descubrimiento de metales de Kagome.

Esta investigación se analiza más a fondo en el artículo publicado en Examen físico X.