Los arcos de Fermi recién descubiertos que se pueden controlar a través del magnetismo podrían ser el futuro de la electrónica basada en espines de electrones. Estos nuevos arcos de Fermi fueron descubiertos por un equipo de investigadores del Laboratorio Ames y la Universidad Estatal de Iowa, así como por colaboradores de los Estados Unidos, Alemania y el Reino Unido. Durante su investigación del monopnictido de tierras raras NdBi (neodimio-bismuto), el equipo de investigación descubrió un nuevo tipo de arco de Fermi que aparecía a bajas temperaturas cuando el material se volvía antiferromagnético, es decir, los espines vecinos apuntaban en direcciones opuestas.
Adam Kaminski, líder del equipo de investigación, explicó que los arcos de Fermi recién descubiertos son el resultado de la división de la banda de electrones, que resulta del orden magnético de los átomos de Nd que constituyen el 50% de la muestra. Sin embargo, la división de electrones que el equipo observó en NdBi no fue el comportamiento típico de división de bandas.
Hay dos tipos establecidos de división de bandas, Zeeman y Rashba. En ambos casos, las bandas conservan su forma original después de dividirse. La división de bandas que observó el equipo de investigación resultó en dos bandas de diferentes formas. A medida que la temperatura de la muestra disminuyó, la separación entre estas bandas aumentó y las formas de las bandas cambiaron, lo que indica un cambio en la masa del fermión.
«Esta división es muy, muy inusual, porque no solo aumenta la separación entre esas bandas, sino que también cambian la curvatura», dijo Kaminski. «Esto es muy diferente de cualquier otra cosa que la gente haya observado hasta la fecha».
Los casos previamente conocidos de arcos de Fermi en semimetales de Weyl persisten porque son causados por la estructura cristalina del material que es difícil de controlar. Sin embargo, los arcos de Fermi que el equipo descubrió en NdBi son inducidos por el ordenamiento magnético de los átomos de Nd en la muestra. Este orden se puede cambiar fácilmente aplicando un campo magnético y posiblemente cambiando el ion Nd por otro ion de tierra rara como cerio, praseodimio o samario (Ce, Pr o Sm). Dado que Ames Lab es líder mundial en investigación de tierras raras, tales cambios en la composición se pueden explorar fácilmente.
«Este nuevo tipo de arcos de Fermi aparece cada vez que la muestra se vuelve antiferromagnética. Entonces, cuando la muestra desarrolla un orden magnético, estos arcos aparecen aparentemente de la nada», dijo Kaminski.
Según Kaminski, otra característica importante de estos nuevos arcos de Fermi es que tienen lo que se denomina textura de espín. En los metales normales, cada estado electrónico está ocupado por dos electrones, uno con un espín hacia arriba y otro con un espín hacia abajo, por lo que no hay un espín neto. Los arcos de Fermi recién descubiertos tienen una única orientación de espín en cada uno de sus puntos. Dado que solo existen en un estado ordenado magnéticamente, los arcos se pueden encender y apagar muy rápidamente aplicando un pulso magnético, por ejemplo, desde un láser ultrarrápido.
«Tener tal decoración de giro o textura de giro es importante porque una de las misiones en la electrónica es alejarse de la electrónica basada en carga. Todo lo que usas ahora se basa en mover electrones en cables y eso provoca disipación», dijo Kaminski.
La capacidad de controlar el espín de los electrones se relaciona con una nueva rama de la tecnología de la información llamada espintrónica, que se basa en el espín de los electrones y no en el movimiento de cargas a lo largo de los cables.
«En lugar de mover una carga, cambiamos la orientación del giro o provocamos la propagación del giro a lo largo del cable», explicó Kaminski. «Estos cambios de giro técnicamente no deberían disipar energía, por lo que no cuesta mucha energía almacenar información como giro o mover información como giro».
Kaminski enfatizó la importancia de este hallazgo para el campo, pero dijo que aún queda mucho trabajo por hacer antes de que estos hallazgos puedan usarse en nuevas tecnologías.
El crecimiento y la caracterización de cristales fueron apoyados por el Centro para el Avance de los Semimetales Topológicos (CATS), un Centro de Investigación de la Frontera Energética financiado por la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía del DOE de los EE. UU.
