«La verdadera razón por la que tenemos magnetismo en nuestra vida cotidiana es la fuerza de las interacciones de intercambio de electrones», dijo el coautor del estudio Ataç İmamoğlu, físico también del Instituto de Electrónica Cuántica.
Sin embargo, como teorizó Nagaoka en la década de 1960, las interacciones de intercambio pueden no ser la única forma de hacer que un material sea magnético. Nagaoka imaginó una red cuadrada bidimensional donde cada sitio de la red tenía solo un electrón. Luego descubrió qué pasaría si se eliminara uno de esos electrones en determinadas condiciones. A medida que los electrones restantes de la red interactuaban, el agujero donde había estado el electrón faltante se deslizaría alrededor de la red.
En el escenario de Nagaoka, la energía general de la red estaría en su nivel más bajo cuando todos los espines de sus electrones estuvieran alineados. Cada configuración de electrones tendría el mismo aspecto, como si los electrones fueran fichas idénticas en el rompecabezas de fichas deslizantes más aburrido del mundo. Estos espines paralelos, a su vez, harían que el material fuera ferromagnético.
Cuando dos cuadrículas con un giro forman un patrón
İmamoğlu y sus colegas intuyeron que podían crear el magnetismo de Nagaoka experimentando con láminas de átomos de una sola capa que podían apilarse para formar un intrincado patrón muaré (pronunciado mwah-ray). En materiales en capas atómicamente delgados, los patrones muaré pueden alterar radicalmente el comportamiento de los electrones y, por tanto, de los materiales. Por ejemplo, en 2018, el físico Pablo Jarillo-Herrero y sus colegas demostraron que pilas de grafeno de dos capas adquirían la capacidad de superconducir cuando compensaban las dos capas con un giro.
Desde entonces, los materiales muaré han surgido como un nuevo sistema convincente para estudiar el magnetismo, ubicado junto a nubes de átomos sobreenfriados y materiales complejos como los cupratos. «Los materiales muaré nos proporcionan un campo de juego para, básicamente, sintetizar y estudiar estados de electrones en muchos cuerpos», dijo İmamoğlu.
Los investigadores comenzaron sintetizando un material a partir de monocapas de semiconductores diseleniuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno, que pertenecen a una clase de materiales que simulaciones anteriores habían implicado que podrían exhibir magnetismo al estilo de Nagaoka. Luego aplicaron campos magnéticos débiles de diferentes intensidades al material muaré mientras rastreaban cuántos espines de electrones del material se alineaban con los campos.
Luego, los investigadores repitieron estas mediciones mientras aplicaban diferentes voltajes a través del material, lo que cambió la cantidad de electrones que había en la red muaré. Encontraron algo extraño. El material era más propenso a alinearse con un campo magnético externo (es decir, a comportarse de manera más ferromagnética) sólo cuando tenía hasta un 50 por ciento más de electrones que sitios de red. Y cuando la red tenía menos electrones que los sitios de la red, los investigadores no vieron signos de ferromagnetismo. Esto era lo contrario de lo que habrían esperado ver si el ferromagnetismo estándar de Nagaoka hubiera estado funcionando.
Sin embargo, el material era magnetizante, las interacciones de intercambio no parecían impulsarlo. Pero las versiones más simples de la teoría de Nagaoka tampoco explicaban completamente sus propiedades magnéticas.
Cuando tus cosas se magnetizan y te sorprendes un poco
Al final todo se redujo al movimiento. Los electrones reducen su energía cinética al expandirse en el espacio, lo que puede hacer que la función de onda que describe el estado cuántico de un electrón se superponga con la de sus vecinos, uniendo sus destinos. En el material del equipo, una vez que hubo más electrones en la red muaré que sitios de la red, la energía del material disminuyó cuando los electrones adicionales se deslocalizaron como niebla bombeada a través de un escenario de Broadway. Luego se emparejaron fugazmente con electrones en la red para formar combinaciones de dos electrones llamadas doblones.
Estos electrones adicionales itinerantes, y los doblones que seguían formando, no podían deslocalizarse y extenderse dentro de la red a menos que todos los electrones en los sitios circundantes de la red tuvieran espines alineados. A medida que el material perseguía implacablemente su estado de menor energía, el resultado final fue que los doblones tendían a crear pequeñas regiones ferromagnéticas localizadas. Hasta cierto umbral, cuantos más doblones atraviesan una red, más ferromagnético se vuelve detectable el material.