Investigadores estadounidenses descubren un nuevo estado cuántico en un material peculiar

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Una colaboración de físicos que trabajan en diferentes institutos de EE. UU. ha descubierto un nuevo estado cuántico en una aleación hecha de magnesio, silicio y telurio, según un comunicado de prensa. El hallazgo podría dar lugar a aplicaciones en la computación cuántica, como la construcción de sensores y sistemas de comunicación.

La aleación es una estructura cristalina denominada Mn3Si2Te6 y consta de células octogonales colocadas en una disposición similar a un panal cuando se ve desde arriba. Sin embargo, visto desde un lado, consta de hojas apiladas.

Los electrones pueden moverse libremente dentro de la estructura. Sin embargo, debido a la aleatoriedad del flujo, el viaje de los electrones es muy parecido al de los vehículos en un atasco, lo que confiere al material las propiedades de un aislante.

Los investigadores estaban interesados ​​en estudiar la aleación debido a una propiedad que habían notado anteriormente. El material, llamado magnetorresistencia, mostró una conductividad mejorada cuando se colocó en presencia de un campo magnético.

Si bien este cambio en la naturaleza no se observa en la mayoría de los materiales, se ha observado antes en algunos. En el caso de esta aleación, la magnetorresistencia ha sido bautizada como colosal ya que, en presencia del campo magnético, deja de comportarse como un aislante y actúa como un hilo conductor.

Los investigadores también descubrieron que la colosal magnetorresistencia sólo entraba en vigor cuando el campo magnético se aplicaba perpendicularmente a la superficie en forma de panal. Si bien esto no era cierto para la magnetorresistencia observada en otros materiales, los investigadores necesitaban un nuevo modelo para explicar por qué esta aleación se comportaba así.

Bartlomiej Wroblewski/ iStock

Los físicos teóricos del Georgia Tech desarrollaron un nuevo modelo matemático en el que descubrieron que los flujos de corriente entre iones magnéticos de manganeso estaban prohibidos por la simetría. Sin embargo, los iones de telurio dispuestos en forma octaédrica podían transportar las corrientes cuando el campo magnético se aplicaba de una manera particular.

Curiosamente, los investigadores también descubrieron que el material podía cambiar entre aislante y conductor incluso cuando se aplicaba una corriente eléctrica. Esta transición, sin embargo, no fue inmediata y podría tardar entre segundos y minutos en ocurrir.

El cambio más lento es algo que los investigadores están interesados ​​en explotar para desarrollar nuevas aplicaciones en los dispositivos cuánticos controlados actuales, que podrían usarse para una variedad de propósitos que van desde la informática hasta la detección y la comunicación.

Antes de eso, los investigadores aún necesitan comprender más sobre este estado cuántico recién descubierto y al mismo tiempo determinar qué otros materiales muestran estas propiedades.

Los resultados de la investigación fueron publicados en la revista Nature.

Resumen del estudio:

La magnetorresistencia colosal (CMR) es una mejora extraordinaria de la conductividad eléctrica en presencia de un campo magnético. Se asocia convencionalmente con una polarización de espín inducida por un campo que reduce drásticamente la dispersión del espín y la resistencia eléctrica. El Mn3Si2Te6 ferrimagnético es una excepción intrigante a esta regla: exhibe una reducción de siete órdenes de magnitud en la resistividad del plano ab que ocurre solo cuando se evita una polarización magnética1,2. Aquí, informamos un estado cuántico exótico impulsado por corrientes orbitales quirales (COC) del plano ab que fluyen a lo largo de los bordes de los octaedros de MnTe6. Los momentos orbitales del eje c del COC del plano ab se acoplan a los espines ferrimagnéticos de Mn para aumentar drásticamente la conductividad del plano ab (CMR) cuando un campo magnético externo se alinea a lo largo del eje c duro magnético. En consecuencia, la CMR impulsada por COC es altamente susceptible a pequeñas corrientes directas que exceden un umbral crítico y puede inducir una conmutación biestable dependiente del tiempo que imita una "transición de fusión" de primer orden que es un sello distintivo del estado de COC. El control de corriente demostrado de CMR habilitado para COC ofrece un nuevo paradigma para las tecnologías cuánticas.