Las oscilaciones de los \u00e1tomos en el interior de un s\u00f3lido producen excitaciones que se dispersan por el material. Esas vibraciones forman ondas que, en la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, se comportan en determinadas situaciones como un flujo de part\u00edculas, a las cuales se las denomina fonones. Esas oscilaciones, responsables de la propagaci\u00f3n del calor y del sonido en el material, pueden producirse en dos direcciones, vertical y horizontal. Es como si los \u00e1tomos estuviesen conectados por resortes y la perturbaci\u00f3n en uno de ellos se propagara por los dem\u00e1s. Un equipo de f\u00edsicos de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE) demostr\u00f3 experimentalmente que, si se las somete a condiciones espec\u00edficas, las vibraciones pueden propagarse de otra forma: adem\u00e1s de oscilar hacia arriba, hacia abajo y hacia los lados, giran en torno de su propio eje.<\/p>\n
El movimiento giratorio de las ondas en las entra\u00f1as de los s\u00f3lidos corresponde, en la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, al esp\u00edn o momento angular que exhiben las part\u00edculas elementales, como en el caso de los electrones, y por n\u00facleos at\u00f3micos en presencia de campos magn\u00e9ticos. O sea, los cient\u00edficos constataron que los fonones, paquetes de energ\u00eda producidos por ondas vibratorias, pueden presentar esp\u00edn. El resultado del trabajo sali\u00f3 publicado en la revista cient\u00edfica Nature Physics<\/em> en abril de 2018.<\/p>\n Los experimentos que condujeron al hallazgo se dividieron en dos partes. Primero, vali\u00e9ndose de un campo de microondas, los f\u00edsicos generaron en un s\u00f3lido un tipo de excitaci\u00f3n at\u00f3mica que se sabe que presenta esp\u00edn: los magnones, vibraciones de los electrones de un \u00e1tomo asociadas a las propiedades magn\u00e9ticas de un material. A continuaci\u00f3n, con la ayuda de campos magn\u00e9ticos, convirtieron a los magnones en fonones. Ese proceso de transformaci\u00f3n de magnones en fonones, que se denomina acoplamiento en la jerga de los f\u00edsicos, ya era conocido por la ciencia. \u201cEfectuamos un experimento cuya idea central consist\u00eda en transformar cierta forma de excitaci\u00f3n en otra, es decir, magn\u00f3n en fon\u00f3n\u201d, explica Sergio Machado Rezende, coordinador del grupo de f\u00edsicos de la UFPE que produjo el trabajo.<\/p>\n La sorpresa apareci\u00f3 al final de las mediciones, cuando los investigadores se dieron cuenta de lo que hab\u00eda ocurrido. \u201cNotamos que, m\u00e1s all\u00e1 de convertirse en fonones, los magnones les hab\u00edan transferido una propiedad que no esper\u00e1bamos, el esp\u00edn\u201d, relata Jos\u00e9 Holanda, alumno de doctorado de Rezende y primer autor del art\u00edculo que da cuenta del experimento. En ese tipo de conversi\u00f3n, el esp\u00edn de los magnones normalmente no se preserva en los fonones. En funci\u00f3n de lo in\u00e9dito de esa medici\u00f3n, Rezende y sus colegas construyeron un sistema \u00f3ptico de dispersi\u00f3n de luz para confirmar si, de hecho, se hab\u00eda conservado el esp\u00edn. La luz dispersada sobre un material provee informaciones exactas acerca de la presencia o ausencia de momento angular en fonones, y este sistema confirm\u00f3 el esp\u00edn en los fonones.<\/p>\n La naturaleza del material que se emple\u00f3 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 pel\u00edcula delgada de granate de itrio y hierro (Y3<\/sub>Fe5<\/sub>O12<\/sub>), de un espesor en rango at\u00f3mico, que genera pocas p\u00e9rdidas magn\u00e9ticas. \u201cEn el interior de esa pel\u00edcula, las excitaciones recorren distancias del orden de cent\u00edmetros\u201d, dice el f\u00edsico Ant\u00f4nio Azevedo, tambi\u00e9n de la UFPE, quien fabric\u00f3 el material que se utiliz\u00f3 en el experimento. Esa particularidad aparentemente fue determinante para que los esp\u00edn de los magnones se transfirieran a los fonones. \u201cEse defecto es imposible de detectar en otros materiales\u201d, explica el f\u00edsico Matthias Benjamin Jungfleisch, del National Argonne Laboratory, en Estados Unidos, quien no intervino en el trabajo y escribi\u00f3 un comentario sobre el art\u00edculo de sus colegas de la UFPE en la misma edici\u00f3n de la Nature Physics<\/em>.<\/p>\n La evidencia de que las vibraciones ac\u00fasticas de los \u00e1tomos en los s\u00f3lidos pueden presentar una de las propiedades m\u00e1s importantes de la f\u00edsica cu\u00e1ntica abre las puertas al estudio del esp\u00edn de los fonones como codificadores de la informaci\u00f3n. Esto podr\u00eda convertirse en una nueva rama de la espintr\u00f3nica, la electr\u00f3nica basada en el giro (esp\u00edn) del electr\u00f3n, para la transmisi\u00f3n de se\u00f1ales y el almacenamiento de datos. En la electr\u00f3nica convencional, tal como su nombre lo indica, las se\u00f1ales se transmiten por medio de la carga del electr\u00f3n. Una de las ventajas de hacer espintr\u00f3nica con fonones reside en que los materiales magn\u00e9ticos, cuya producci\u00f3n es m\u00e1s compleja, tan s\u00f3lo ser\u00edan necesarios en la fase inicial del proceso, para convertir magnones, que siempre poseen esp\u00edn, en fonones. \u201cUna vez producidos, los fonones podr\u00edan traspasar el esp\u00edn a otros materiales no magn\u00e9ticos\u201d, sugiere Rezende.<\/p>\n