Descubrimiento revolucionario en física desafía una creencia de más de un siglo

Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon anunciaron un descubrimiento que podría cambiar el rumbo de la física moderna. Han identificado una forma inesperada del efecto Hall, un principio fundamental utilizado para estudiar el comportamiento eléctrico y magnético de los materiales, que desafía la creencia de que este efecto solo se manifiesta cuando un campo magnético se aplica de manera perpendicular a un material.

Los hallazgos, publicados en la revista Nature Materials, amplían la comprensión del efecto Hall y podrían facilitar el desarrollo de sensores magnéticos más simples y flexibles, aplicables en tecnología electrónica, transporte e imágenes médicas.

Una nueva perspectiva sobre un fenómeno antiguo

El efecto Hall ha sido utilizado por los científicos durante más de un siglo. Descubierto por Edwin Hall en 1879, este fenómeno ocurre cuando un campo magnético se aplica perpendicularmente a un material que transporta corriente eléctrica, lo que provoca que las cargas en movimiento se desplacen hacia un lado, generando un voltaje medible. Este voltaje proporciona información crucial sobre el material, como el tipo de carga que transporta y su movilidad.

Los sensores basados en el efecto Hall son ampliamente utilizados en tecnologías que van desde automóviles hasta teclados de computadora. El equipo de investigación de la Universidad Carnegie Mellon, que trabaja en el Laboratorio para la Investigación de Materiales Cuánticos, Interfaces y Dispositivos (LIQUID), demostró una forma diferente del efecto.

Según Simranjeet Singh, profesor asociado de física, "durante mucho tiempo se pensó que el efecto Hall solo funcionaba cuando el campo magnético se aplicaba perpendicularmente al plano de la película. Hemos demostrado que esto no es cierto; también se puede obtener una respuesta cuando el campo está en el plano".

Este descubrimiento abre nuevas posibilidades para investigar estructuras magnéticas y topológicas multidimensionales en sistemas de materia condensada. Singh destacó que "más allá de su importancia fundamental, este hallazgo puede habilitar nuevas arquitecturas de dispositivos planos y tipos de sensores, como la magnetometría vectorial, al medir señales del efecto Hall anómalo en el plano y fuera del plano en un mismo dispositivo".

De la teoría a la práctica

Si bien se había predicho teóricamente un efecto Hall anómalo en el plano, ningún experimento había logrado demostrarlo hasta este trabajo. Singh explicó que "las ideas estaban ahí, pero es muy difícil fabricar un material magnético con la simetría adecuada para lograrlo. Lo que hicimos fue encontrar un material con la simetría correcta y lo hicimos magnético".

El equipo de investigación, que incluía a los investigadores postdoctorales I-Hsuan Kao y Ravi Kumar, comenzó con el tellururo de iridio y tantalio (TaIrTe4). Su estructura cristalina tiene la simetría necesaria para soportar un efecto Hall multidimensional. Los investigadores redujeron el material a solo unas pocas capas atómicas de grosor y lo colocaron junto a una capa magnética, Cr2Ge2Te6 (CGT).

Debido a la proximidad de las dos capas, el comportamiento magnético del CGT influye en el TaIrTe4, que normalmente no es magnético. Esto confiere propiedades magnéticas al TaIrTe4 mientras conserva sus características electrónicas subyacentes.

Un dispositivo, múltiples direcciones magnéticas

Dentro de los dispositivos ultradelgados, los investigadores detectaron tanto la señal Hall familiar como una segunda señal inusual asociada con la magnetización en el plano del material. Esta diferencia tiene una consecuencia práctica importante: un solo dispositivo ultradelgado puede detectar campos magnéticos a lo largo de más de un eje.

Singh afirmó que "hemos ampliado las aplicaciones potenciales de estos materiales. Se puede realizar un sentido magnético multidimensional con un solo sensor. Antes, necesitabas colocar dos sensores para medir el campo magnético en dos direcciones".

Por lo tanto, este trabajo sugiere sistemas de detección magnética que podrían realizar mediciones en múltiples direcciones sin requerir sensores separados para cada una.

Investigaciones futuras

Junto con los experimentos, Shubhayu Chatterjee, profesor asistente de física, utilizó modelado teórico para investigar por qué aparece el efecto y cómo la simetría de los materiales combinados lo hace posible. Chatterjee comentó que "encontramos que la simetría reducida debido al emparejamiento con CGT permite un acoplamiento espín-órbita adicional en la interfaz. Estos términos de acoplamiento espín-órbita son cruciales para que el efecto Hall anómalo en el plano emerja una vez que CGT se vuelve ferromagnético a bajas temperaturas".

El equipo de LIQUID ahora investiga combinaciones adicionales de materiales que podrían producir la misma respuesta Hall inusual y están probando cómo se comporta el dispositivo a temperatura ambiente, un requisito importante si la tecnología se utiliza en aplicaciones prácticas.