Los investigadores del MIT muestran cómo la topología puede ayudar a que los materiales produzcan magnetismo a temperaturas más altas. Durante años, los investigadores han trabajado para comprender la disposición de los electrones, o topología, y el magnetismo en ciertos semimetales, pero, frustrantemente, estos materiales sólo muestran magnetismo cuando se enfrían a unos pocos grados por encima del cero absoluto.
Un nuevo estudio dirigido por Mingda Li, profesora asociada en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT, y en coautoría de Nathan Drucker, investigador asistente graduado en el Grupo de Medición Cuántica del MIT y estudiante de doctorado en física aplicada en la Universidad de Harvard, y Thanh Nguyen y Phum Siriviboon, estudiantes graduados del Grupo de Medición Cuántica del MIT, está desafiando esta visión tradicional.
La investigación, publicada en la revista Nature Communications, es la primera en demostrar que la topología puede estabilizar el orden magnético incluso muy por encima de la temperatura de transición magnética, el punto en el que el magnetismo normalmente se descompone.
"Una analogía que me gusta usar para describir por qué esto funciona es imaginar un río lleno de troncos, y los troncos representan los momentos magnéticos en el material", dijo Drucker, autor principal del artículo. "Para que el magnetismo funcione, es necesario que todos esos troncos apunten en la misma dirección, o algún patrón entre ellos. Pero a altas temperaturas, donde todos los momentos magnéticos apuntan en diferentes direcciones, como troncos en un río, el magnetismo se rompe".
Continuó: "Pero lo importante de este estudio es que en realidad es el agua la que está cambiando. Lo que hemos demostrado es que si se cambian las propiedades del agua en sí, en lugar de las propiedades de los troncos, se puede cambiar la interacción entre los troncos para crear magnetismo".
El papel de la topología en la mejora del magnetismo.
Básicamente, dijo Li, el artículo revela cómo una topología conocida como nodo Weyl que se encuentra en CeAlGe, un semimetal exótico compuesto de cerio, aluminio y germanio, puede aumentar significativamente la temperatura de funcionamiento de los dispositivos magnéticos, abriendo la puerta a una amplia gama de aplicaciones.
Si bien los materiales topológicos se han utilizado para fabricar sensores, giroscopios y más, también se utilizan ampliamente en áreas como la microelectrónica, la termoeléctrica y los dispositivos catalíticos. Nguyen dijo que este estudio muestra una manera de mantener el magnetismo a temperaturas más altas, abriendo la puerta a más posibilidades. Se han demostrado muchas oportunidades en este y otros materiales topológicos. Esto demuestra un enfoque general que puede aumentar significativamente las temperaturas de funcionamiento de estos materiales.
Linda Ye, profesora asistente de física en la División de Física, Matemáticas y Astronomía de Caltech, añadió que este resultado "bastante sorprendente y contraintuitivo" tendrá un impacto significativo en el trabajo futuro con materiales topológicos.
El trabajo de investigación muestra que los nodos topológicos electrónicos no sólo desempeñan un papel en la estabilización del orden magnético estático, sino que, de manera más general, pueden desempeñar un papel en la generación de fluctuaciones magnéticas. Una conclusión natural que se puede extraer de esto es que el impacto de los estados topológicos del pozo en los materiales puede ser mucho mayor de lo que se pensaba anteriormente.
El profesor de física de la Universidad de Princeton, Andre Bonnevig, estuvo de acuerdo y calificó el descubrimiento como "desconcertante y bastante notable. Se sabe que los nodos de Weyls están topológicamente protegidos, pero el impacto de esta protección en las propiedades termodinámicas de la fase no está del todo claro. El artículo del equipo del MIT muestra que el ordenamiento de corto alcance por encima de la temperatura de ordenamiento está gobernado por vectores de onda anidados entre los fermiones de Weyl que aparecen en el sistema... ¡Esto puede indicar que la protección de los nodos de Weyls afecta las fluctuaciones magnéticas hasta cierto punto!"
Desentrañando el misterio del magnetismo
Si bien estos sorprendentes resultados desafían los conocimientos arraigados sobre el magnetismo y la topología, son el resultado de experimentos cuidadosos y la voluntad del equipo de investigación de explorar áreas que pueden haber sido pasadas por alto.
"Nuestra hipótesis es que no hay nuevos descubrimientos por encima de la temperatura de transición magnética", explica Li. "Utilizamos cinco métodos experimentales diferentes para crear esta historia integral y armar el rompecabezas de manera consistente".
Para demostrar la existencia de magnetismo a temperaturas más altas, los investigadores primero combinaron cerio, aluminio y germanio en un horno para formar cristales del material de tamaño milimétrico. Luego, las muestras se sometieron a una serie de pruebas, incluidas pruebas de conductividad térmica y eléctrica, cada una de las cuales reveló pistas sobre el comportamiento magnético inusual del material.
"Sin embargo, también utilizamos algunos métodos más exóticos para probar el material", dijo Drucker. "Golpeamos el material con un haz de rayos X al mismo nivel de energía que el cerio en el material y luego medimos cómo se dispersaba el haz. Esas pruebas tuvieron que realizarse en una gran instalación en un laboratorio nacional del Departamento de Energía. Al final, tuvimos que hacer experimentos similares en tres laboratorios nacionales diferentes para demostrar que existía este orden oculto allí, y así es como encontramos la evidencia más sólida".
"Parte del desafío es que a menudo es muy difícil hacer este tipo de experimentos con materiales topológicos y, a menudo, sólo se puede proporcionar evidencia indirecta", dijo Nguyen. "Lo que se hace en este caso es realizar múltiples experimentos con diferentes sondas, y cuando las juntas, nos dan una historia muy completa. En este caso, había cinco o seis pistas diferentes, y un montón de instrumentos y mediciones que desempeñaron un papel en este estudio".
Impacto y direcciones futuras
En el futuro, el equipo planea explorar si la relación entre topología y magnetismo se puede demostrar en otros materiales. Creen que este principio es universal. Por lo tanto, esto puede existir en muchos otros materiales, lo que amplía nuestra comprensión del papel de la topología. Sabíamos que podría desempeñar un papel en el aumento de la conductividad eléctrica y ahora hemos demostrado que también puede desempeñar un papel en el magnetismo.
Otros trabajos futuros también abordarán posibles aplicaciones de materiales topológicos, incluido su uso en dispositivos termoeléctricos, que pueden convertir el calor en electricidad. Si bien estos dispositivos ya se utilizan para alimentar dispositivos pequeños como relojes, no son lo suficientemente eficientes para alimentar teléfonos móviles u otros dispositivos más grandes.
"Hemos estudiado muchos materiales termoeléctricos excelentes y todos ellos son materiales topológicos", dijo Li. "Si pudieran mostrar este rendimiento utilizando el magnetismo... liberarían muy buenas propiedades termoeléctricas. Esto les ayudaría a funcionar a temperaturas más altas, por ejemplo. Actualmente, muchas células solares sólo pueden funcionar a temperaturas muy bajas para recoger el calor residual. Una consecuencia muy natural de esto es que podrán funcionar a temperaturas más altas".
Este estudio muestra de manera concluyente que, si bien los materiales topológicos semimetálicos se han estudiado durante muchos años, se sabe relativamente poco sobre sus propiedades.
"Creo que nuestro trabajo resalta el hecho de que cuando se observan estas diferentes escalas y se utilizan diferentes experimentos para estudiar algunos de estos materiales, de hecho, algunas propiedades termoeléctricas, eléctricas y magnéticas muy importantes comienzan a aparecer", dijo Drucker. "Así que creo que esto proporciona un seguimiento no sólo de cómo podemos usar estas cosas para diferentes aplicaciones, sino también de otras investigaciones fundamentales sobre cómo podemos comprender mejor los efectos de estas fluctuaciones térmicas".