23.02.2021 - Technische Universität Wien

Efecto magnético sin imán

Sorpresa en la física del estado sólido: El efecto Hall, que normalmente requiere campos magnéticos, también puede generarse de una manera completamente diferente: con una fuerza extrema

La corriente eléctrica es desviada por un campo magnético; en los materiales conductores se produce el llamado efecto Hall. Este efecto se utiliza a menudo para medir campos magnéticos. Ahora se ha hecho un descubrimiento sorprendente en la Universidad Técnica de Viena, en colaboración con científicos del Instituto Paul Scherrer (Suiza), la Universidad McMater (Canadá) y la Universidad Rice (EE.UU.): se examinó un metal exótico hecho de cerio, bismuto y paladio y se descubrió que el material producía un efecto Hall gigante, en ausencia total de cualquier campo magnético. La razón de este inesperado resultado radica en las inusuales propiedades de los electrones: Se comportan como si hubiera monopolos magnéticos en el material. Estos descubrimientos se han publicado ahora en la revista científica PNAS.

Una tensión perpendicular a la corriente

Cuando una corriente eléctrica fluye a través de una tira de metal, los electrones se mueven de un lado a otro. Si se coloca un imán al lado de esta banda, una fuerza actúa sobre los electrones, la llamada fuerza de Lorentz. El camino de los electrones a través de la banda metálica ya no es recto, sino que se dobla un poco. Por lo tanto, ahora hay más electrones en un lado de la tira metálica que en el otro, y esto crea un voltaje - perpendicular a la dirección en la que fluye la corriente. Este es el clásico efecto Hall, tal y como se conoce desde hace muchos años.

"La medición de la intensidad del efecto Hall es una de las formas de caracterizar los materiales en nuestro laboratorio", explica la profesora Silke Bühler-Paschen, del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena. "Se puede aprender mucho sobre el comportamiento de los electrones en el estado sólido a partir de un experimento de este tipo". Cuando Sami Dzsaber, que estaba trabajando en su tesis en el grupo de investigación de Bühler-Paschen, examinó el material Ce3Bi4Pd3, se tomó su tarea muy en serio y también llevó a cabo una medición sin campo magnético. "En realidad, se trata de una idea poco habitual, pero en este caso fue el paso decisivo", afirma Silke Bühler-Paschen.

La medición reveló que el material presenta un efecto Hall incluso sin un campo magnético externo, y no sólo un efecto Hall normal, sino uno enorme. En los materiales normales, un efecto Hall de esta intensidad sólo puede producirse con enormes bobinas electromagnéticas. "Así que tuvimos que responder a otra pregunta", dice Silke Bühler Paschen. "Si se produce un efecto Hall sin un campo magnético externo, ¿acaso se trata de campos magnéticos locales extremadamente fuertes que se producen a escala microscópica en el interior del material, pero que ya no se pueden sentir en el exterior?".

Por ello, se llevaron a cabo investigaciones en el Instituto Paul Scherrer de Suiza: Con la ayuda de los muones -partículas elementales especialmente adecuadas para investigar los fenómenos magnéticos- se examinó el material más de cerca. Pero resultó que no se podía detectar ningún campo magnético ni siquiera a escala microscópica. "Si no hay campo magnético, tampoco hay una fuerza de Lorentz que pueda actuar sobre los electrones del material, pero sin embargo se midió un efecto Hall. Esto es realmente sorprendente", afirma Silke Bühler-Paschen.

La simetría es lo que cuenta

La explicación de este extraño fenómeno reside en la complicada interacción de los electrones. "Los átomos de este material están dispuestos según simetrías muy específicas, y estas simetrías determinan la llamada relación de dispersión, es decir, la relación entre la energía de los electrones y su momento. La relación de dispersión nos dice lo rápido que puede moverse un electrón cuando tiene una determinada energía", dice Bühler-Paschen. "También es importante tener en cuenta que aquí no se puede mirar a los electrones individualmente: hay fuertes interacciones mecánicas cuánticas entre ellos".

Esta compleja interacción da lugar a un fenómeno que matemáticamente parece que hay monopolos magnéticos en el material, es decir, polos norte y sur solitarios, que no existen de esta forma en la naturaleza. "Pero en realidad tiene el efecto de un campo magnético muy fuerte en el movimiento de los electrones", dice Bühler-Paschen.

El efecto ya se había predicho teóricamente para materiales más simples, pero nadie había sido capaz de demostrarlo. El avance llegó con la investigación de una nueva clase de materiales: "Nuestro material con la composición química Ce3Bi4Pd3 se caracteriza por una interacción especialmente fuerte entre los electrones", explica Bühler-Paschen. "Esto se conoce como el efecto Kondo. Hace que estos monopolos magnéticos ficticios tengan exactamente la energía adecuada para influir en los electrones de conducción del material con extrema fuerza. Esta es la razón por la que el efecto es más de mil veces mayor de lo predicho teóricamente".

El nuevo efecto Hall espontáneo gigante tiene cierto potencial para las tecnologías cuánticas de próxima generación. En este campo, por ejemplo, son importantes los elementos no recíprocos que producen una dispersión dependiente de la dirección, sin necesidad de un campo magnético externo; podrían realizarse con este efecto. "El comportamiento extremadamente no lineal del material es también de gran interés", dice Silke Bühler-Paschen. "El hecho de que los complejos fenómenos de muchas partículas en los sólidos den lugar a posibilidades de aplicación inesperadas hace que este campo de investigación sea especialmente apasionante".

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