Traspasando fronteras: detección del efecto Hall anómalo sin magnetización en una nueva clase de materiales
La primera evidencia experimental del efecto Hall anómalo que surge en un antiferromagneto colineal con comportamiento de líquido no Fermi
Un equipo internacional de investigación dirigido por Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu y Satoru Nakatsuji, de la Universidad de Tokio, junto con Collin Broholm, de la Universidad Johns Hopkins, ha descubierto el efecto Hall anómalo en un antiferromagneto colineal. Y lo que es más sorprendente, el efecto Hall anómalo surge de un estado líquido no Fermi, en el que los electrones no interactúan según los modelos convencionales. El descubrimiento no sólo desafía el marco de los libros de texto para interpretar el efecto Hall anómalo, sino que también amplía la gama de antiferromagnetos útiles para las tecnologías de la información.
La investigación básica contribuye a la innovación tecnológica profundizando nuestra comprensión de la interacción entre el antiferromagnetismo, la topología de banda y las interacciones electrónicas fuertes.
Ray et al 2025
Los espines son propiedades intrínsecas de los electrones, que suelen describirse como "arriba" o "abajo". En los ferromagnetos, los espines se alinean en la misma dirección, magnetizando el material. Esta magnetización puede provocar una tensión perpendicular a la corriente eléctrica incluso sin campo magnético externo; es el efecto Hall anómalo. Por el contrario, los antiferromagnetos presentan espines alineados en direcciones opuestas, lo que anula la magnetización. Por tanto, el efecto Hall anómalo no se produce en los antiferromagnetos. Sin embargo, así es.
"Se han publicado informes anteriores sobre la aparición del efecto Hall anómalo en una cierta clase de antiferromagnetos colineales", afirma Nakatsuji, investigador principal. "Sin embargo, las señales observadas eran extremadamente débiles. Identificar un efecto Hall anómalo realmente libre de magnetización tenía un amplio interés científico y tecnológico".
Esta empresa exigió la coordinación de varios grupos. Fu y sus colegas se encargaron del montaje experimental para medir el efecto. Utilizaron una familia de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición (TMD) como bloques de construcción bidimensionales (2D). Al insertar iones magnéticos entre las capas atómicas, los investigadores pudieron controlar los movimientos y las interacciones de los electrones. La estructura modificada, ahora en 3D, tenía el potencial de mostrar nuevos comportamientos que no habrían sido posibles sólo en 2D. Por fin, los investigadores podían realizar mediciones del efecto Hall anómalo en una amplia gama de temperaturas y campos magnéticos. Además, el grupo de Broholm aportó pruebas microscópicas que confirmaban la estructura antiferromagnética colineal del material. Los resultados se combinaron con los análisis y cálculos teóricos realizados por el grupo de Ryotaro Arita en la Universidad de Tokio.
"Uno de los principales retos de nuestro proyecto de investigación ha sido construir una narrativa científica coherente a partir de nuestras observaciones", afirma Fu, codirector del artículo. "Cada paso requería una interpretación cuidadosa, especialmente debido al desorden estructural que se encuentra habitualmente en los sistemas de dicalcogenuros de metales de transición (TMD)".
La medición resultante es la primera prueba experimental sólida del efecto Hall anómalo observado en antiferromagnetos colineales. Como normalmente se cree que el efecto Hall anómalo va de la mano de la magnetización, la detección sugiere que está en juego algo mucho más allá de la comprensión estándar. Los investigadores sospechan que el fenómeno tiene su origen en la estructura única de las bandas de electrones del material, que provoca un gran "campo magnético virtual" y potencia el efecto Hall anómalo en ausencia de magnetización. Nakatsuji explica los próximos pasos.
"Estamos buscando la confirmación experimental de esta hipótesis y realizando activamente una serie de estudios de seguimiento con técnicas complementarias, incluida la espectroscopia Raman, para descubrir los mecanismos subyacentes".
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Publicación original
Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu, Youzhe Chen, Taishi Chen, Takuya Nomoto, Shiro Sakai, Motoharu Kitatani, Motoaki Hirayama, Shusaku Imajo, Takahiro Tomita, Akito Sakai, Daisuke Nishio-Hamane, Gregory T. McCandless, Michi-To Suzuki, Zhijun Xu, Yang Zhao, Tom Fennell, Yoshimitsu Kohama, Julia Y. Chan, Ryotaro Arita, Collin Broholm, Satoru Nakatsuji; "Zero-field Hall effect emerging from a non-Fermi liquid in a collinear antiferromagnet V1/3NbS2"; Nature Communications, Volume 16, 2025-4-18
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