Los fonones son vibraciones atómicas colectivas, o cuasipartículas, que actúan como los principales portadores de calor en una red cristalina. En determinadas circunstancias, sus propiedades pueden verse modificadas por campos eléctricos o luz. Pero hasta ahora, nadie se dio cuenta de que también pueden responder a los campos magnéticos.
Científicos de la Universidad Rice dirigidos por el físico Junichiro Kono y el investigador postdoctoral Andrey Baydin desencadenaron el efecto inesperado en un cristal semiconductor de plomo y telurio (PbTe) totalmente no magnético. Expusieron la pequeña muestra a un fuerte campo magnético y descubrieron que podían manipular el modo de fonón óptico «suave» del material.
A diferencia de los fonones acústicos, que pueden entenderse como átomos que se mueven sincronizados, producen ondas sonoras e influyen en la conductividad térmica de un material, los fonones ópticos están representados por átomos vecinos que oscilan en direcciones opuestas y pueden ser excitados por la luz. Por lo tanto, la etiqueta «óptica».
Los experimentos revelaron el dicroísmo circular magnético fonónico del material, un fenómeno por el cual los campos magnéticos de mano izquierda excitan los fonones de mano derecha y viceversa, bajo campos magnéticos relativamente bajos (9 teslas). (En comparación, un imán de refrigerador es 5 miliTesla, o 45 000 veces más débil).
El bombeo del campo a 25 Tesla provocó que la muestra se dividiera en Zeeman, en la que las líneas espectrales se separan como la luz a través de un prisma pero en un campo magnético, una característica fundamental en los dispositivos de resonancia magnética nuclear. Las líneas también exhibieron un cambio general con el campo magnético. Informaron que estos efectos eran mucho más fuertes de lo esperado por la teoría.
«Este trabajo revela una nueva forma de controlar los fonones», dijo Kono sobre el estudio, que aparece en Cartas de revisión física. «Nadie esperaba que los fonones pudieran ser controlados por un campo magnético, porque los fonones generalmente no responden a los campos magnéticos a menos que el cristal sea magnético».
El descubrimiento fue posible gracias a RAMBO (el Imán Avanzado de Arroz con Óptica de Banda Ancha), un espectrómetro de mesa en el laboratorio de Kono que permite que los materiales se enfríen y se expongan a campos magnéticos intensos. Golpear la muestra con láser permite a los investigadores rastrear el movimiento y el comportamiento de los electrones y átomos dentro del material.
En este caso, los átomos alternados reaccionan de manera diferente bajo el conjunto de condiciones (baja temperatura, magnetizado y activado por ondas de terahercios) impuestas por RAMBO. El espectrómetro detecta la absorción de luz polarizada de los fonones.
«El campo magnético obliga a estos iones a oscilar en una órbita circular», dijo el coautor principal Baydin, investigador postdoctoral en el laboratorio de Kono. «El resultado es que el momento magnético efectivo de estos fonones es muy grande.
«No hay interacciones resonantes entre fonones y electrones en campos magnéticos altos, por lo que es imposible que los electrones causaran la respuesta magnética de los fonones», dijo. «Lo sorprendente es que los propios fonones parecen estar respondiendo directamente al campo magnético, que la gente no había visto antes y no creía que fuera posible».
Kono dijo que las aplicaciones del descubrimiento aún están por verse, pero sospecha que será de interés para los tecnólogos cuánticos. «Creo que este sorprendente descubrimiento tiene implicaciones a largo plazo en la fonónica cuántica porque ahora hay una manera de controlar los fonones usando un campo magnético», dijo.
Félix Hernández de la Universidad de São Paulo, Brasil, y Martín Rodríguez-Vega del Laboratorio Nacional de Los Álamos son coautores principales del artículo. Los coautores son Anderson Okazaki, Paulo Rappl y Eduardo Abramof del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales, São Paulo, Brasil; el estudiante graduado de física aplicada Fuyang Tay y el ex alumno Timothy Noe de Rice; Ikufumi Katayama y Jun Takeda de la Universidad Nacional de Yokohama, Japón; Hiroyuki Nojiri de la Universidad de Tohoku, Japón; y Gregory Fiete de la Universidad del Noreste y el Instituto de Tecnología de Massachusetts.
Kono es profesor de ingeniería de la cátedra Karl F. Hasselmann y profesor de ingeniería eléctrica e informática, de física y astronomía y de ciencia de materiales y nanoingeniería.
La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias (1720595), una Beca Colaborativa Brasil@Rice, la Fundación de Investigación de São Paulo (2015/16191-5, 2018/06142-5) y el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (307737/2020) -9), el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de Los Álamos, el Departamento de Energía de EE. UU. y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (20H05662).
Materiales proporcionado por Universidad de arroz. Original escrito por Mike Williams. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
