Un descubrimiento revolucionario allana el camino a una nueva electrónica con materiales quirales
Los monopolos de momento angular orbital podrían revolucionar la futura tecnología de la información
Científicos del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras de Halle y sus colaboradores internacionales han observado por primera vez en materiales quirales monopolos de momento angular orbital que, según las predicciones, ofrecerían importantes ventajas para la próxima generación de dispositivos electrónicos. Este descubrimiento pionero, publicado en la revista Nature Physics, podría suponer un gran paso adelante en el desarrollo de la electrónica quiral.
En la electrónica tradicional, la información se transfiere utilizando la carga de los electrones. Sin embargo, las tecnologías del futuro podrían basarse en una propiedad diferente de los electrones: su momento angular intrínseco. Históricamente, la atención se ha centrado en el espín de los electrones, una forma de momento angular intrínseco que crea un momento magnético, como principal candidato para los dispositivos de próxima generación. Ahora, los investigadores están explorando el potencial de la orbitrónica, un campo que utiliza el momento angular de los electrones generado cuando orbitan alrededor del núcleo atómico. La orbitrónica es muy prometedora para los dispositivos de memoria, sobre todo porque podría generar grandes magnetizaciones con pequeñas corrientes de carga, lo que conduciría a una tecnología energéticamente eficiente.
Uno de los principales retos de la orbitrónica ha sido encontrar los materiales adecuados para generar grandes polarizaciones orbitales. Los últimos avances han logrado progresos utilizando materiales convencionales como el titanio. Sin embargo, los materiales quirales, que suelen tener una estructura atómica helicoidal única similar a la doble hélice del ADN, ofrecen una alternativa apasionante. Estos materiales poseen de forma natural texturas OAM como propiedad intrínseca, lo que los hace especialmente atractivos para la orbitrónica.
"Esto supone una ventaja significativa frente a otros materiales, ya que no es necesario aplicar estímulos externos para obtener texturas orbitrónicas: simplemente están ahí", explica el Dr. Niels Schröter, jefe de grupo independiente del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, que dirigió el estudio. "Esto les da el potencial de ser realmente estables".
La solución perfecta para la orbitrónica: erizos con púas
Otra característica inusual y ventajosa de estos materiales es su potencial para albergar monopolos de OAM dentro de sus estructuras de banda electrónica. En este escenario, los OAM se comportan de formas que desafían las reglas de simetría observadas en los sistemas convencionales. Por ejemplo, en los imanes, esperamos un polo norte y un polo sur, en lugar de un monopolo aislado.
En estos monopolos, el OAM irradia hacia el exterior como las púas de un erizo asustado hecho una bola. Y esto es lo que hace que estos materiales sean tan atractivos: El OAM es uniforme en todas las direcciones, es decir, es isótropo.
"Se trata de una propiedad muy útil, ya que permite generar flujos de OAM en cualquier dirección", explica Jonas Krieger, antiguo postdoctorando en el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, que dirigió el equipo experimental que realizó el descubrimiento. El Dr. Krieger es ahora científico titular en el Instituto Paul Scherrer de Suiza, donde sigue colaborando estrechamente con sus colegas alemanes.
Pero, ¿dónde se esconden?
Los monopolos OAM en cristales quirales han sido durante mucho tiempo una perspectiva apasionante para la orbitrónica, pero hasta ahora sólo habían existido en teoría. Observarlos experimentalmente ha sido un reto importante. La clave para desvelar este misterio reside en una técnica denominada dicroísmo circular en espectroscopia de fotoemisión con ángulo resuelto, o CD-ARPES, que utiliza rayos X procedentes de una fuente de luz de sincrotrón. A pesar de su potencial, los intentos anteriores de detectar monopolos OAM con este método habían sido infructuosos.
"Había una desconexión entre la teoría y el experimento. Los investigadores podían haber recogido los datos correctos, pero las pruebas de los monopolos OAM estaban ocultas en ellos", explica el Dr. Schröter.
La dificultad residía en la interpretación de los complejos datos generados por CD-ARPES. En esta técnica, se proyecta luz sobre un material y se expulsan electrones. Los ángulos y energías de los electrones expulsados permiten conocer la estructura electrónica del material. Cuando se utiliza luz polarizada circularmente, inicialmente se supuso que las mediciones reflejarían directamente los OAM.
"Esa suposición resultó ser demasiado simplista. Nuestro estudio reveló que la realidad es mucho más complicada", afirma el Dr. Michael Schüler, del Instituto Paul Scherrer, que supervisó el desarrollo de los modelos teóricos que se utilizaron para interpretar los datos.
El rigor tapa la brecha
Decididos a desenmarañar la compleja red de datos de CD-ARPES para revelar la existencia de monopolos OAM, Schröter, Krieger, Schüler y sus colegas examinaron dos tipos de cristales quirales: los de paladio y galio o los de platino y galio, sintetizados en el Instituto Max Planck de Física Química de Dresde en el grupo de la profesora Claudia Felser.
El equipo abordó el rompecabezas con la mente abierta para cuestionar cualquier suposición. A continuación, dieron un paso adicional poco habitual y realizaron los experimentos con distintas energías de fotones. "Al principio, los datos no tenían sentido. La señal parecía estar cambiando por todas partes", dice Krieger.
Al comparar cuidadosamente los datos experimentales con los modelos teóricos, los científicos descubrieron cómo las distintas contribuciones complicaban los cálculos de OAM a partir de los datos de CD-ARPES. De este modo, demostraron cómo la señal CD-ARPES no era directamente proporcional a los OAM, como se creía anteriormente, sino que rotaba alrededor de los monopolos a medida que cambiaba la energía del fotón. El modelo teórico que finalmente construyeron se ajustaba a los datos de CD-ARPES independientemente de la orientación del cristal o de la energía fotónica probada.
De este modo, demostraron la presencia de monopolos OAM. "La robustez fue la clave", explica Schröter. "Ciertas características persistían independientemente de las condiciones que utilizáramos. La única forma de conseguirlo es con monopolos OAM, en los que el OAM es isótropo".
Armados con la capacidad de visualizar con precisión los monopolos OAM, Schröter y sus colegas demostraron que la polaridad del monopolo -si los picos de los OAM apuntan hacia dentro o hacia fuera- podía invertirse utilizando un cristal con una quiralidad de imagen especular. "Se trata de una propiedad muy útil, ya que nos dice que controlamos la direccionalidad de la respuesta orbital a estímulos externos a través de la lateralidad de la estructura cristalina", afirma Schröter.
Mirando al futuro: El Centro de Electrónica Quiral
Este descubrimiento no sólo marca un hito importante en la orbitrónica, sino que también se ajusta a los objetivos del recién propuesto Centro de Electrónica Quiral, una iniciativa conjunta del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras y las universidades de Halle, Berlín y Ratisbona. El Centro pretende dar respuesta a la creciente necesidad de tecnologías más eficientes de almacenamiento y procesamiento de datos. Explorando las propiedades únicas de la quiralidad en aplicaciones electrónicas, el Centro desarrollará nuevos dispositivos con funcionalidades avanzadas.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Yun Yen, Jonas A. Krieger, Mengyu Yao,Iñigo Robredo, Kaustuv Manna, Qun Yang, Emily C. McFarlane, Chandra Shekhar, Horst Borrmann, Samiel Stolz, Roland Widmer, Oliver Gröning, Vladimir N. Strocov, Stuart S. P. Parkin, Claudia Felser, Maia G. Vergniory, Michael Schüler, Niels B. M. Schröter; Controllable orbital angular momentum monopoles in chiral topological semimetals; Nature Physics (2024)
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