Ingenieros logran que imanes se comporten como grafeno en nuevo avance

Un equipo de ingenieros de la Universidad de Illinois Grainger College of Engineering descubrió un vínculo inesperado entre dos ámbitos de la física que tradicionalmente se consideraban separados: el comportamiento de los electrones en el grafeno y las ondas magnéticas en materiales diseñados específicamente. En su estudio, publicado en Physical Review X, los investigadores diseñaron un delgado film magnético con un patrón hexagonal de agujeros, similar a la estructura del grafeno. Este diseño permitió demostrar que las "ondas de espín" magnéticas pueden seguir las mismas reglas matemáticas que los electrones inusuales del grafeno.

El hallazgo no solo revela una conexión más profunda entre los sistemas electrónicos y magnéticos, sino que también ofrece a los científicos una nueva herramienta para estudiar materiales magnéticos complejos. "No es obvio que exista una analogía entre los comportamientos electrónicos y magnéticos en 2D, y seguimos asombrados de lo bien que funciona esta analogía", declaró Bobby Kaman, autor principal del estudio. Los ingenieros lograron demostrar que un grupo de materiales poco estudiados obedece a las mismas leyes físicas fundamentales que los electrones en el grafeno, que han sido objeto de extensas investigaciones.

La idea surgió del trabajo de Kaman con metamateriales, que son materiales diseñados para que su estructura a gran escala produzca comportamientos no observables en su disposición atómica natural. Kaman, estudiante de posgrado en ciencias de materiales e ingeniería, observó que tanto los electrones del grafeno como las excitaciones magnéticas en materiales denominados magnéticos se comportan como ondas. Esta similitud llevó a la posibilidad intrigante de diseñar un sistema magnético que se comportara matemáticamente como el grafeno.

Para explorar esta idea, el equipo modeló un film magnético delgado con pequeños agujeros dispuestos en un patrón hexagonal. Dentro de esta estructura, los momentos magnéticos microscópicos, conocidos como "spins", interactúan y producen perturbaciones viajeras llamadas ondas de espín. Al calcular las energías de estas ondas de espín, descubrieron que su comportamiento matemático coincidía estrechamente con el de los electrones que se mueven a través del grafeno.

El sistema resultó ser más complejo de lo esperado. En lugar de una simple analogía uno a uno, los investigadores identificaron nueve bandas de energía distintas, que permiten que varios tipos de comportamientos aparezcan simultáneamente. Entre ellos se encuentran ondas de espín sin masa, similares a las ondas de electrones del grafeno, así como bandas de baja dispersión asociadas con estados localizados e incluso efectos topológicos que abarcan múltiples bandas.

El profesor Axel Hoffmann, quien supervisó la investigación, destacó que el trabajo de Kaman establece una conexión directa entre un sistema de espín diseñado y un modelo fundamental de la física. "Los cristales magnéticos son notorios por producir una abrumadora variedad de fenómenos dependientes de la estructura y la geometría, muchos de los cuales se catalogan sin ser realmente comprendidos. La analogía con el grafeno en este sistema proporciona una explicación clara para los comportamientos observados", afirmó Hoffmann.

Además de su importancia para la física básica, la investigación podría tener aplicaciones prácticas. El equipo considera que el sistema podría ser útil en tecnología de microondas utilizada en comunicaciones inalámbricas y celulares. Según Hoffmann, uno de estos dispositivos es un "circulador de microondas" que permite que las señales de radio de microondas se propaguen en una sola dirección. Por lo general, estos dispositivos son voluminosos, pero el sistema magnético estudiado podría permitir que los dispositivos de microondas se miniaturicen a la escala de micrómetros.

Hoffmann y su grupo de investigación ya presentaron una solicitud de patente que cubre sus conceptos de dispositivos de microondas. Junto a Kaman, también contribuyeron al estudio Jinho Lim y Yingkai Liu. El trabajo recibió apoyo del Centro de Investigación de Materiales de la Universidad de Illinois a través de la National Science Foundation.

Temas