Un nuevo estudio realizado por un equipo multinacional de investigación científica ha capturado por primera vez señales magnéticas extremadamente débiles en metales cotidianos, permitiendo que el oro, el cobre, el aluminio y otros metales considerados "magnéticamente silenciosos" revelen un "segundo lado" que ha estado oculto durante casi 150 años. Los resultados relevantes se han publicado en "Nature Communications" y se considera que han abierto una nueva ventana para el estudio del comportamiento de los electrones en los metales.
El clásico "efecto Hall" fue descubierto a finales del siglo XIX para explicar el fenómeno de desviación de la corriente en un campo magnético. Este efecto es bastante evidente en materiales ferromagnéticos como el hierro, pero es extremadamente débil en metales no magnéticos como el cobre y el oro. En teoría, el "efecto Hall óptico" resultante también debería existir, pero su señal en la banda de luz visible es tan débil que no puede observarse directamente por medios experimentales durante mucho tiempo. El equipo de investigación dijo que era como intentar captar un susurro en una habitación ruidosa. "Todo el mundo cree que el susurro existe, pero falta un 'micrófono' lo suficientemente sensible".
La investigación fue dirigida por los estudiantes de doctorado Nadav Am Shalom y el profesor Amir Capua de la Universidad Hebrea, en colaboración con colegas del Instituto Weizmann de Ciencias, la Universidad Estatal de Pensilvania y la Universidad de Manchester. Su objetivo: medir estas respuestas magnéticas casi invisibles en metales que parecen ser completamente "no magnéticos" en la vida cotidiana. Capua describió que la gente está acostumbrada a pensar que el cobre y el oro son "metales magnéticos silenciosos": no se adhieren a la puerta del refrigerador como el hierro, pero, en las condiciones adecuadas, aún responden a los campos magnéticos de manera extremadamente sutil.
Para lograr este objetivo, el equipo mejoró significativamente la sensibilidad del método de medición existente del "efecto Kerr magnetoóptico" (MOKE). El principio de MOKE es irradiar una muestra con láser y leer indirectamente la información magnética del material observando el cambio de polarización de la luz reflejada. Los investigadores utilizaron un láser azul con una longitud de onda de 440 nanómetros y modularon fuertemente el campo magnético externo para "levantar" la señal del ruido de fondo. Gracias a este conjunto de mejoras, por primera vez se pueden detectar directamente en el rango de luz visible señales magnéticas extremadamente débiles en una serie de metales como cobre, oro, aluminio, tantalio y platino.
El estudio encontró que estos resultados experimentales son consistentes hasta cierto punto con la teoría clásica de Lorentz-Drude, que se utiliza para describir el comportamiento del movimiento de los electrones en campos electromagnéticos. Sin embargo, los datos reales también revelaron detalles que la teoría clásica no puede cubrir completamente, como la contribución adicional de la dinámica del plasma y las transiciones entre bandas a la señal, lo que significa que la respuesta de los electrones en los metales es más compleja que la representada por los modelos existentes. Aún más inesperado, el "ruido" en el experimento no fue completamente aleatorio, sino que mostró una clara correlación con la fuerza de acoplamiento de la órbita de giro del metal.
El llamado acoplamiento espín-órbita es el acoplamiento entre el propio espín del electrón y su movimiento orbital. Se considera un parámetro clave en campos de vanguardia como la espintrónica y los materiales topológicos. El análisis del equipo cree que este tipo de ruido "amplificado" con la mejora del acoplamiento espín-órbita es en realidad el producto de la interacción entre la luz y el espín del electrón, y está relacionado con la mejora de la amortiguación de Gilbert en el material, es decir, el proceso de disipación de energía magnética en el material. En otras palabras, detrás de estos "ruidos estáticos" aparentemente confusos se encuentra información valiosa transmitida por los grados de libertad del espín.
Los investigadores describieron este descubrimiento como: "Es como descubrir que el crujido de la radio no es pura interferencia, sino que alguien susurra en el interior". A través de medios ópticos altamente sensibles, comenzaron a "comprender" estas débiles señales de los espines de los electrones. En comparación con las mediciones eléctricas tradicionales que requieren cableado y electrodos, este método puramente óptico no requiere cableado en muestras a nanoescala, lo que reduce en gran medida la complejidad experimental y la perturbación de la muestra.
Dado que la medición sólo requiere un rayo láser y un campo magnético externo moderado, y no depende de temperaturas extremadamente bajas o campos magnéticos ultrafuertes, este método tiene grandes esperanzas de posibles aplicaciones en ingeniería y ciencia de materiales. El artículo señala que se espera que esta tecnología sirva para los campos del almacenamiento magnético, la electrónica de espín y la computación cuántica, ayudando a los investigadores a caracterizar con mayor precisión las interacciones magnéticas y eléctricas dentro de los materiales en condiciones de trabajo reales. Para la ingeniería de dispositivos, esto significa el diagnóstico sin contacto del "lado oscuro magnético" de los materiales en condiciones más cercanas a los entornos de aplicación reales.
Cabe mencionar que esta obra cumple en cierto sentido el "deseo inconcluso" de Edwin Hall, el descubridor del efecto Hall. En su investigación inicial en 1881, Hall intentó utilizar métodos ópticos para observar efectos relacionados, pero fracasó debido a limitaciones técnicas de la época. En el artículo lamenta que si el efecto de la plata pudiera alcanzar una décima parte del efecto del hierro, debería poder ver efectos ópticos, pero lamentablemente no observó ningún signo. Ahora, mediante un ajuste fino de la frecuencia y las condiciones experimentales, una nueva generación de investigadores finalmente puede utilizar la luz para "ver" fenómenos que eran inalcanzables en aquel entonces.
Detrás de este logro está la mejora acumulativa de la sensibilidad de los métodos experimentales durante más de un siglo. Para la comunidad científica, esa parte del "susurro magnético" de los metales cotidianos ya no está completamente oculta, sino que se ha transformado en datos experimentales que pueden registrarse y analizarse. Para la tecnología futura, estas pistas magnéticas secretas pueden convertirse en algún momento en un rompecabezas clave para promover el desarrollo de una nueva generación de dispositivos de almacenamiento, computación y cuánticos.