Espines contra fonones: se revela una paradoja fundamental del mundo cuántico

Físicos han identificado una sorprendente regularidad en el comportamiento de los materiales cuánticos que podría cambiar nuestra comprensión de la dinámica del espín. Viktor Rindert, de la Universidad de Lund, junto con su equipo, formuló y confirmó experimentalmente una ecuación que relaciona la permeabilidad magnética de una sustancia con las frecuencias de la resonancia de espín magnético. Este descubrimiento acerca la creación de una nueva generación de dispositivos espintrónicos, componentes electrónicos que utilizan no la carga del electrón, sino su espín, lo que permitirá alcanzar una mayor velocidad con un menor consumo de energía.

Hasta ahora, la comunidad científica asumía que los fenómenos eléctricos y magnéticos en los materiales debían comportarse como imágenes especulares entre sí. Esta conclusión derivaba de las ecuaciones de Maxwell, las relaciones fundamentales que describen la naturaleza unificada de los fenómenos electromagnéticos. Sin embargo, la investigación ha revelado una diferencia esencial entre las vibraciones cuánticas de la red cristalina (fonones) y las excitaciones de espín, como la resonancia paramagnética y antiferromagnética.

En los sólidos, los átomos oscilan en torno a sus posiciones de equilibrio. Estas oscilaciones no pueden adoptar valores energéticos arbitrarios, sino que están cuantizadas, es decir, existen solo en determinados estados energéticos permitidos. Los cuantos de tales oscilaciones se denominan fonones. Cuando una onda sonora o térmica atraviesa un cristal, lo hace en forma de un flujo de fonones (del mismo modo que una onda de luz está compuesta por fotones).

Las excitaciones de espín tienen una naturaleza completamente distinta. El espín es el momento angular intrínseco de una partícula elemental, que puede imaginarse como una rotación de la partícula en torno a su propio eje.

En un campo magnético, los espines de los electrones comienzan a girar de manera particular: no solo en torno a su eje, sino describiendo un cono, como un trompo infantil que, al girar, oscila de un lado a otro. Los físicos llaman a este movimiento precesión. Este fenómeno no es exclusivo de los electrones: un giróscopo ordinario se comporta de manera similar bajo la influencia de la gravedad terrestre. La frecuencia de precesión determina las propiedades magnéticas del material.

¿En qué consiste exactamente el descubrimiento? La fórmula clásica de Lyddane-Sachs-Teller para la permisividad dieléctrica incluye una dependencia cuadrática de la frecuencia de los fonones. Esto significa que si la frecuencia de las vibraciones de la red cristalina se duplica, su contribución a la permitividad dieléctrica aumenta cuatro veces. Sin embargo, en la nueva ecuación de la permeabilidad magnética, la dependencia resultó ser lineal: duplicar la frecuencia de la precesión de espín conduce a un cambio dos veces mayor en la respuesta magnética.

Esta diferencia refleja la divergencia fundamental entre el movimiento de los espines y las vibraciones de los iones. Los iones en una red cristalina pueden imaginarse como un sistema de osciladores acoplados, donde cada átomo está unido a sus vecinos mediante fuerzas elásticas. En cambio, los espines se comportan como pequeñas agujas magnéticas, que intentan alinearse con el campo externo.

Para confirmar experimentalmente esta teoría, los investigadores utilizaron nitruro de galio, un semiconductor de banda prohibida ancha ampliamente utilizado en optoelectrónica. En la red cristalina se introdujeron átomos de hierro, creando centros paramagnéticos. Cada uno de estos centros corresponde a un ion de hierro con electrones que poseen un espín no compensado.

Para medir los espectros de resonancia paramagnética de los átomos de hierro se empleó una técnica única con una resolución de 10 kHz a una frecuencia de trabajo de 125 GHz. Estos son valores realmente paradójicos: sería el equivalente a medir la distancia de la Tierra a la Luna con un margen de error de solo unos pocos milímetros.

Un papel clave en la investigación lo desempeñó la tecnología de elipsometría con matriz de Mueller. Este método permite caracterizar completamente el estado de polarización de la luz reflejada, es decir, cómo oscila el vector eléctrico de la onda luminosa. La matriz de 4×4 contiene información sobre todas las posibles transformaciones de polarización durante la interacción de la luz con la materia. Gracias a esto, los científicos pudieron aislar los efectos asociados con los dipolos magnéticos de la influencia de los dipolos eléctricos.

La permeabilidad magnética estática se midió utilizando un interferómetro cuántico superconductivo (SQUID), un dispositivo extremadamente sensible capaz de registrar campos magnéticos increíblemente débiles. Su funcionamiento se basa en el efecto Josephson, un fenómeno cuántico en el que los electrones tunelean a través de una fina capa dieléctrica entre dos superconductores.

El estudio se fundamentó en la teoría desarrollada por Felix Bloch en 1946, que describe el comportamiento de los espines atómicos en un campo magnético. Según Bloch, cada espín realiza dos movimientos simultáneamente: rota alrededor de su eje y se inclina gradualmente hacia las líneas de fuerza del campo magnético, como la aguja de una brújula buscando el norte. Utilizando esta teoría, los científicos lograron por primera vez medir con precisión cómo se mueven los espines y cómo afectan a las propiedades magnéticas del material.

El nuevo método es especialmente relevante para el estudio de materiales inusuales de dos tipos: antiferromagnéticos y altermagnéticos. En los antiferromagnetos, los espines de los átomos vecinos están orientados en direcciones opuestas, como si fueran dos agujas de brújula señalando al norte y al sur. Debido a esto, la magnetización total es cero, y los dispositivos convencionales no pueden detectar estos materiales. Los altermagnetos presentan estructuras aún más complejas, con espines que se alinean en ángulos específicos entre sí, formando patrones tridimensionales intrincados.

La metodología desarrollada permitirá diseñar nuevos materiales con propiedades personalizadas, optimizar el rendimiento de los dispositivos espintrónicos y avanzar en la resolución de los desafíos de la computación cuántica. A largo plazo, esto podría llevar a la creación de ordenadores que utilicen no solo la carga, sino también el espín del electrón para el procesamiento de información, lo que aumentaría radicalmente su capacidad de cálculo.