Algunos materiales tridimensionales pueden exhibir propiedades exóticas que solo existen en dimensiones "inferiores". Por ejemplo, en cadenas unidimensionales de átomos que emergen dentro de una muestra a granel, los electrones pueden separarse en tres entidades distintas, cada una con información sobreUn aspecto de la identidad del electrón: espín, carga u órbita. Se sabe que el espón, la entidad que transporta información sobre el espín de electrones, controla el magnetismo en ciertos materiales aislantes cuyos espines de electrones pueden apuntar en cualquier dirección y cambiar fácilmente de dirección.Ahora, un nuevo estudio recién publicado en ciencia revela que los espinones también están presentes en un material metálico en el que el movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo atómico es la fuerza impulsora detrás del fuerte magnetismo del material.
"En este compuesto metálico a granel, encontramos inesperadamente excitaciones magnéticas unidimensionales que son típicas de los materiales aislantes cuya fuente principal de magnetismo es el giro de sus electrones", dijo el físico Igor Zaliznyak, quien dirigió la investigación en el Departamento de los EE. UU.El Laboratorio Nacional Brookhaven de Energy DOE. "Nuestra nueva comprensión de cómo los espinones contribuyen al magnetismo de un sistema dominado por orbitales podría conducir al desarrollo de tecnologías que utilizan el magnetismo orbital, por ejemplo, componentes de computación cuántica como el magnéticoprocesamiento de datos y dispositivos de almacenamiento "
El equipo experimental incluyó a los físicos de Brookhaven Lab y Stony Brook University, Meigan Aronson y William Gannon ambos ahora en la Universidad Texas A&M y Liusuo Wu ahora en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE, quienes fueron pioneros en el estudio del compuesto metálico hechode iterbio, platino y plomo Yb2Pt2Pb hace casi 10 años. El equipo utilizó la dispersión magnética de neutrones, una técnica en la que un haz de neutrones se dirige a un material magnético para sondear su magnetismo microscópico a escala atómica. En esta técnica,Los momentos magnéticos de los neutrones interactúan con los momentos magnéticos del material, lo que hace que los neutrones se dispersen. La medición de la intensidad de estos neutrones dispersos en función del momento y la energía transferida al material produce un espectro que revela la dispersión y la magnitud deexcitaciones magnéticas en el material.
A bajas energías hasta 2 mili-electronvoltios y bajas temperaturas por debajo de 100 Kelvin, o menos 279 grados Fahrenheit, los experimentos revelaron un amplio continuo de excitaciones magnéticas que se mueven en una dirección. El equipo experimental comparó estas medidas con teóricaspredicciones de lo que se debe observar para los espines, según lo calculado por los físicos teóricos Alexei Tsvelik de Brookhaven Lab y Jean-Sebastian Caux y Michael Brockmann de la Universidad de Ámsterdam. La dispersión de las excitaciones magnéticas obtenidas experimental y teóricamente estuvo de acuerdo, a pesar de lo magnéticomomentos en que los átomos de Yb son cuatro veces más grandes de lo que se esperaría de un sistema dominado por espín.
"Nuestras mediciones proporcionan evidencia directa de que este compuesto contiene cadenas aisladas donde los espinones funcionan. Pero el gran tamaño de los momentos magnéticos deja en claro que el movimiento orbital, no el espín, es el mecanismo dominante para el magnetismo", dijo Zaliznyak.
El artículo en Science contiene detalles de cómo los científicos caracterizaron la dirección de las fluctuaciones magnéticas y desarrollaron un modelo para describir el comportamiento del compuesto. Usaron su modelo para calcular un espectro de excitación magnética aproximado que se comparó con sus observaciones experimentales, confirmando quelos espinones están involucrados en la dinámica magnética en Yb2Pt2Pb.
Los científicos también propusieron una explicación de cómo ocurren las excitaciones magnéticas en los átomos de Yb: en lugar de que los momentos magnéticos electrónicos cambien de dirección como lo harían en un sistema basado en espín, los electrones saltan entre orbitales superpuestos en átomos de Yb adyacentes. Ambos mecanismos- voltear y saltar: cambie la energía total del sistema y provoque fluctuaciones magnéticas similares a lo largo de las cadenas de átomos.
"Existe un fuerte acoplamiento entre el giro y el movimiento orbital. La alineación orbital está rígidamente determinada por los campos eléctricos generados por los átomos cercanos de Pb y Pt. Aunque los átomos de Yb no pueden voltear sus momentos magnéticos, pueden intercambiar sus electrones a través de la superposición orbital".Dijo Zaliznyak.
Durante estos intercambios orbitales, los electrones se despojan de su "identidad" orbital, lo que permite que las cargas electrónicas se muevan independientemente del movimiento orbital electrónico alrededor del núcleo del átomo Yb, un fenómeno que Zaliznyak y su equipo llaman separación orbital de carga.
Los científicos ya han demostrado los otros dos mecanismos de la "división" de la identidad electrónica en tres partes, a saber, la separación de carga de espín y la separación de espín-orbital. "Esta investigación completa la tríada de fenómenos de fraccionamiento de electrones", dijo Zaliznyak.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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