Las oscilaciones de los átomos en el interior de un sólido producen excitaciones que se dispersan por el material. Esas vibraciones forman ondas que, en la mecánica cuántica, se comportan en determinadas situaciones como un flujo de partículas, a las cuales se las denomina fonones. Esas oscilaciones, responsables de la propagación del calor y del sonido en el material, pueden producirse en dos direcciones, vertical y horizontal. Es como si los átomos estuviesen conectados por resortes y la perturbación en uno de ellos se propagara por los demás. Un equipo de físicos de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE) demostró experimentalmente que, si se las somete a condiciones específicas, las vibraciones pueden propagarse de otra forma: además de oscilar hacia arriba, hacia abajo y hacia los lados, giran en torno de su propio eje.
El movimiento giratorio de las ondas en las entrañas de los sólidos corresponde, en la mecánica cuántica, al espín o momento angular que exhiben las partículas elementales, como en el caso de los electrones, y por núcleos atómicos en presencia de campos magnéticos. O sea, los científicos constataron que los fonones, paquetes de energía producidos por ondas vibratorias, pueden presentar espín. El resultado del trabajo salió publicado en la revista científica Nature Physics en abril de 2018.
Los experimentos que condujeron al hallazgo se dividieron en dos partes. Primero, valiéndose de un campo de microondas, los físicos generaron en un sólido un tipo de excitación atómica que se sabe que presenta espín: los magnones, vibraciones de los electrones de un átomo asociadas a las propiedades magnéticas de un material. A continuación, con la ayuda de campos magnéticos, convirtieron a los magnones en fonones. Ese proceso de transformación de magnones en fonones, que se denomina acoplamiento en la jerga de los físicos, ya era conocido por la ciencia. “Efectuamos un experimento cuya idea central consistía en transformar cierta forma de excitación en otra, es decir, magnón en fonón”, explica Sergio Machado Rezende, coordinador del grupo de físicos de la UFPE que produjo el trabajo.
La sorpresa apareció al final de las mediciones, cuando los investigadores se dieron cuenta de lo que había ocurrido. “Notamos que, más allá de convertirse en fonones, los magnones les habían transferido una propiedad que no esperábamos, el espín”, relata José Holanda, alumno de doctorado de Rezende y primer autor del artículo que da cuenta del experimento. En ese tipo de conversión, el espín de los magnones normalmente no se preserva en los fonones. En función de lo inédito de esa medición, Rezende y sus colegas construyeron un sistema óptico de dispersión de luz para confirmar si, de hecho, se había conservado el espín. La luz dispersada sobre un material provee informaciones exactas acerca de la presencia o ausencia de momento angular en fonones, y este sistema confirmó el espín en los fonones.
La naturaleza del material que se empleó parece haber sido determinante para el inesperado desenlace de los experimentos en la UFPE. En lugar de utilizar compuestos macizos tales como bastones o cilindros, lo usual en ese tipo de trabajo, los investigadores apelaron a un tipo de película delgada de granate de itrio y hierro (Y3Fe5O12), de un espesor en rango atómico, que genera pocas pérdidas magnéticas. “En el interior de esa película, las excitaciones recorren distancias del orden de centímetros”, dice el físico Antônio Azevedo, también de la UFPE, quien fabricó el material que se utilizó en el experimento. Esa particularidad aparentemente fue determinante para que los espín de los magnones se transfirieran a los fonones. “Ese defecto es imposible de detectar en otros materiales”, explica el físico Matthias Benjamin Jungfleisch, del National Argonne Laboratory, en Estados Unidos, quien no intervino en el trabajo y escribió un comentario sobre el artículo de sus colegas de la UFPE en la misma edición de la Nature Physics.
La evidencia de que las vibraciones acústicas de los átomos en los sólidos pueden presentar una de las propiedades más importantes de la física cuántica abre las puertas al estudio del espín de los fonones como codificadores de la información. Esto podría convertirse en una nueva rama de la espintrónica, la electrónica basada en el giro (espín) del electrón, para la transmisión de señales y el almacenamiento de datos. En la electrónica convencional, tal como su nombre lo indica, las señales se transmiten por medio de la carga del electrón. Una de las ventajas de hacer espintrónica con fonones reside en que los materiales magnéticos, cuya producción es más compleja, tan sólo serían necesarios en la fase inicial del proceso, para convertir magnones, que siempre poseen espín, en fonones. “Una vez producidos, los fonones podrían traspasar el espín a otros materiales no magnéticos”, sugiere Rezende.
Artículo científico
HOLANDA, J. et al. Detecting the phonon spin in magnon-phonon conversion experiments. Nature Physics. 2 abr. 2018.
