Descubren un efecto Hall anómalo en antiferromagnetos sin magnetización

Un equipo internacional de investigación, liderado por Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu y Satoru Nakatsuji de la Universidad de Tokio, junto con Collin Broholm de la Universidad Johns Hopkins, ha realizado un descubrimiento significativo en el campo de la física de materiales. Han logrado identificar el efecto Hall anómalo en un antiferromagneto colinear, un hallazgo que desafía las teorías convencionales sobre este fenómeno.

Lo más notable es que el efecto Hall anómalo se presenta en un estado de líquido no Fermi, donde los electrones no interactúan de acuerdo con los modelos tradicionales. Este descubrimiento no solo pone en tela de juicio el marco teórico estándar para interpretar el efecto Hall anómalo, sino que también amplía el rango de antiferromagnetos que pueden ser útiles en tecnologías de información.

Un avance en la comprensión del magnetismo

Los giros son propiedades intrínsecas de los electrones, que generalmente se describen como «arriba» o «abajo». En los ferromagnetos, los giros se alinean en la misma dirección, magnetizando el material. Esta magnetización puede provocar un voltaje perpendicular a la corriente eléctrica, incluso sin un campo magnético externo; este fenómeno se conoce como el efecto Hall anómalo.

Por el contrario, en los antiferromagnetos, los giros están alineados en direcciones opuestas, lo que cancelaría efectivamente la magnetización. Por lo tanto, se podría suponer que el efecto Hall anómalo no debería aparecer en antiferromagnetos. Sin embargo, los investigadores han demostrado que sí puede ocurrir.

Según Nakatsuji, el investigador principal, “ha habido informes previos sobre el efecto Hall anómalo en una clase específica de antiferromagnetos colineales. Sin embargo, las señales observadas eran extremadamente débiles. Identificar un efecto Hall anómalo verdaderamente libre de magnetización es de gran interés científico y tecnológico”.

Para llevar a cabo esta investigación, el equipo coordinó esfuerzos entre diversos grupos. Fu y sus colegas se encargaron del montaje experimental para medir el efecto, utilizando una familia de materiales conocidos como dicelenuros de metales de transición (TMD) como bloques de construcción bidimensionales.

Al insertar iones magnéticos entre las capas atómicas, los investigadores pudieron controlar el movimiento e interacciones de los electrones. La estructura modificada, ahora en 3D, promete exhibir comportamientos nuevos que no serían posibles en un sistema exclusivamente bidimensional.

Los investigadores realizaron mediciones del efecto Hall anómalo en un amplio rango de temperaturas y campos magnéticos. Además, el grupo de Broholm proporcionó evidencia microscópica que confirma la estructura antiferromagnética colineal del material. Los resultados se combinaron con el análisis teórico y cálculos realizados por el grupo de Ryotaro Arita en la Universidad de Tokio.

“Uno de los principales desafíos en nuestro proyecto ha sido construir una narrativa científica coherente a partir de nuestras observaciones”, comenta Fu, coautora del artículo. “Cada paso requirió una interpretación cuidadosa, especialmente debido al desorden estructural común en los sistemas de dicelenuros de metales de transición”.

La medición resultante representa la primera evidencia experimental sólida del efecto Hall anómalo observado en antiferromagnetos colineales. Dado que se considera que el efecto Hall anómalo va de la mano con la magnetización, su detección sugiere que hay algo más allá de la comprensión estándar en juego.

Los investigadores sospechan que el fenómeno radica en la estructura única de las bandas electrónicas del material, lo que causa un gran “campo magnético virtual” y potencia el efecto Hall anómalo en ausencia de magnetización. Nakatsuji explica que los próximos pasos consisten en buscar confirmación experimental para esta hipótesis y seguir investigando mediante técnicas complementarias, incluida la espectroscopia Raman, para desentrañar los mecanismos subyacentes.