Físicos confirman vortices magnéticos extraños predichos hace 50 años

Un equipo de físicos de la Universidad de Texas en Austin confirmó experimentalmente una secuencia de fases magnéticas exóticas que había sido predicha hace más de 50 años. Este descubrimiento se produjo al observar un material ultradelgado que, al ser enfriado, formó pequeños vórtices magnéticos antes de transitar a un segundo estado magnético ordenado. Este fenómeno coincide con un modelo teórico famoso de la década de 1970, que describe cómo se comporta el magnetismo en dos dimensiones.

La investigación, publicada en la revista Nature Materials, muestra que cuando ciertos materiales son enfriados hasta temperaturas cercanas al cero absoluto, ocurren cambios significativos en su comportamiento magnético. Aunque se habían detectado previamente cada una de estas transiciones por separado, este estudio marca la primera vez que se observó toda la secuencia en un solo sistema.

Para llevar a cabo el estudio, los investigadores enfriaron una lámina de trisulfuros de níquel y fósforo (NiPS3) a temperaturas entre -150 y -130 °C, alcanzando un estado magnético especial conocido como fase de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT). En esta fase, las direcciones magnéticas de los átomos se organizan en estructuras en espiral llamadas vórtices, que se forman en pares que giran en direcciones opuestas.

El nombre de la fase BKT rinde homenaje a los físicos Vadim Berezinskii y a los ganadores del Premio Nobel J. Michael Kosterlitz y David Thouless, quienes recibieron el Nobel de Física en 2016 por su trabajo teórico sobre estas transiciones de fase. Según Edoardo Baldini, profesor asistente de física en UT y líder de la investigación, "la fase BKT es particularmente intrigante porque estos vórtices son excepcionalmente robustos y están confinados a solo unos pocos nanómetros de ancho, ocupando solo una capa atómica en grosor".

Cuando la temperatura se redujo aún más, el material cambió a un segundo estado magnético conocido como la fase ordenada de reloj de seis estados. En esta configuración, los momentos magnéticos se alinean en una de seis posibles direcciones relacionadas por simetría. La observación de ambas fases, BKT y la fase ordenada a menor temperatura, confirma la realización experimental del modelo teórico de reloj de seis estados en dos dimensiones.

Los investigadores ahora planean explorar cómo estabilizar fases magnéticas similares a temperaturas más altas, con la esperanza de descubrir materiales que puedan mantener estos efectos más cerca de la temperatura ambiente. Este primer hallazgo proporciona un punto de partida clave para estos esfuerzos, sugiriendo que otros materiales magnéticos bidimensionales podrían albergar fases magnéticas previamente desconocidas, lo que podría llevar a nuevos descubrimientos en física fundamental y conceptos para dispositivos electrónicos a escala nanométrica.

El proyecto recibió apoyo principal de la National Science Foundation (NSF) a través del Centro para la Dinámica y Control de Materiales de UT. Además, el grupo de Baldini recibió financiamiento de diversas fundaciones y programas, incluyendo la Fundación Robert A. Welch y el Programa de Jóvenes Investigadores de la Fuerza Aérea de EE.UU.