Perturbar los espines de los electrones en un imán generalmente da como resultado excitaciones llamadas « ondas de espín » que ondulan a través del imán como las ondas en un estanque que ha sido golpeado por un guijarro. En un nuevo estudio, los físicos de la Universidad de Rice y sus colaboradores han descubierto excitaciones dramáticamente diferentes llamadas « excitones de espín » que también pueden « ondularse » a través de un imán a base de níquel como una onda coherente.

En un estudio publicado en Nature Communications, los investigadores informaron haber encontrado propiedades inusuales en el molibdato de níquel, un cristal magnético en capas. Las partículas subatómicas llamadas electrones se asemejan a imanes minúsculos y, por lo general, se orientan como las agujas de una brújula en relación con los campos magnéticos. En experimentos en los que se dispersaron neutrones de iones de níquel magnéticos dentro de los cristales, los investigadores encontraron que dos electrones más externos de cada ion de níquel se comportaban de manera diferente. En lugar de alinear sus espines como las agujas de una brújula, los dos se cancelaron entre sí en un fenómeno que los físicos llaman singlete de espín.

« Tal sustancia no debería ser un imán en absoluto », dijo Pengcheng Dai de Rice, autor correspondiente del estudio. « Y si un neutrón se dispersa de un ion de níquel dado, las excitaciones deben permanecer locales y no propagarse a través de la muestra ».

Por lo tanto, Dai y sus colaboradores se sorprendieron cuando los instrumentos en los experimentos de dispersión de neutrones detectaron no una, sino dos familias de ondas que se propagaban, cada una con energías dramáticamente diferentes.

Para comprender el origen de las ondas, fue necesario profundizar en los detalles atómicos de los cristales magnéticos. Por ejemplo, las fuerzas electromagnéticas de los átomos en los cristales pueden competir con el campo magnético y afectar a los electrones dentro de los átomos vecinos. Esto se denomina efecto de campo cristalino y puede obligar a los espines de los electrones a orientarse en direcciones distintas de la orientación del campo magnético. Sondear los efectos del campo de cristal en los cristales de molibdato de níquel requirió experimentos adicionales y una interpretación teórica de los datos de los experimentos.

« La colaboración entre los grupos experimentales y la teoría es fundamental para pintar una imagen completa y comprender las inusuales excitaciones de espín observadas en este compuesto », dijo la coautora de Rice, Emilia Morosan.

El grupo de Morosan investigó la respuesta térmica de los cristales a los cambios de temperatura mediante mediciones de calor específico. A partir de esos experimentos, los investigadores concluyeron que se produjeron dos tipos de entornos de campo de cristal en el molibdato de níquel en capas, y los dos afectaron a los iones de níquel de manera muy diferente.

« En uno, el efecto de campo es bastante débil y corresponde a una energía térmica de unos 10 Kelvin », dijo el coautor del estudio Andriy Nevidomskyy, físico teórico de Rice que ayudó a interpretar los datos experimentales. « Tal vez no sea sorprendente ver, a temperaturas de pocos Kelvin, que los neutrones pueden excitar ondas de espín magnético de átomos de níquel que están sujetos a este primer tipo de efecto de campo de cristal. Pero es más desconcertante verlos provenientes de átomos de níquel que están sujetos al segundo tipo. Esos átomos tienen una disposición tetraédrica de oxígenos a su alrededor, y el efecto del campo eléctrico es casi 20 veces más fuerte, lo que significa que las excitaciones son mucho más difíciles de crear ».

Nevidomskyy dijo que esto puede entenderse como si los espines de los iones de níquel correspondientes tuvieran una « masa » diferente.

« La analogía es la de pelotas de baloncesto pesadas que se entremezclan con pelotas de tenis », dijo. « Para excitar los giros del segundo tipo, las pelotas de baloncesto más pesadas, uno debe administrar una ‘patada’ más fuerte haciendo brillar neutrones más enérgicos en el material ».

El efecto resultante sobre el espín del níquel se llama espín excitón, y normalmente se esperaría que el efecto de la « patada » productora de excitón se limitara a un solo átomo. Pero las mediciones de los experimentos indicaron que las « pelotas de baloncesto » se movían al unísono, creando una especie de ola inesperada. Aún más sorprendente, las ondas parecían persistir a temperaturas relativamente altas donde los cristales ya no se comportaban como imanes.

La explicación ofrecida por Nevidomskyy y el coautor teórico Leon Balents de la Universidad de California, Santa Bárbara fue : Excitones de espín más pesados ​​– pelotas de baloncesto en la analogía — se balancean en respuesta a las fluctuaciones de los excitones magnéticos circundantes, más ligeros — el análogo pelotas de tenis, y si las interacciones entre los dos tipos de pelotas son lo suficientemente fuertes, los excitones de espín más pesados ​​participan en un movimiento coherente similar a una onda.

« Lo que es particularmente interesante », dijo Dai, « es que los dos tipos de átomos de níquel forman cada uno una red triangular y, por lo tanto, las interacciones magnéticas dentro de esta red se frustran ».

En el magnetismo sobre redes triangulares, la frustración se refiere a la dificultad de alinear todos los momentos magnéticos en antiparalelo (arriba-abajo) con respecto a sus tres vecinos inmediatos más cercanos.

Comprender el papel de las frustraciones magnéticas en las redes triangulares es uno de los desafíos de larga data en los que Dai y Nevidomskyy han estado trabajando durante varios años.

« Es muy emocionante encontrar un rompecabezas, en contra de las expectativas de uno, y luego sentir una sensación de satisfacción por haber entendido su origen », dijo Nevidomskyy.

Dai, Morosan y Nevidomskyy son miembros de la Iniciativa Rice Quantum. Dai es el Profesor Sam y Helen Worden de Física y Astronomía. Morosan es profesor de física y astronomía, y de química. Nevidomskyy es profesor asociado de física y astronomía. Los experimentos de dispersión de neutrones fueron realizados por Bin Gao y Tong Chen en el grupo de Dai en colaboración con científicos de instrumentos en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge e ISIS Neutron and Muon Source en el Laboratorio Rutherford Appleton. Chien-Lung Huang, un científico investigador del grupo de Morosan, realizó las mediciones y el análisis de calor específico.

La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía (DE-SC0012311), la Fundación Welch (C-1839, C-1818 y C-2114) y la Fundación Nacional de Ciencias (2116515). Las mediciones de dispersión de neutrones se realizaron en la fuente de neutrones por espalación, una instalación del Departamento de Energía operada por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, y en la fuente de neutrones y muones ISIS del Reino Unido.