Un descubrimiento reciente ha conseguido lo que muchos físicos consideraban casi imposible: observar un tipo de efecto Hall sin la presencia de magnetismo (no hace mucho teníamos una noticia relacionada con el efecto Hall). Este hallazgo, logrado en Japón, nos muestras que incluso materiales no magnéticos pueden presentar un fenómeno considerado exclusivo de sistemas con magnetización. Para quienes alguna vez han visto cómo una brújula responde a un imán o cómo un electroimán desvía partículas, lo que han descubierto los investigadores puede parecer una violación de esas reglas básicas. Y sin embargo, está ocurriendo.
El equipo ha demostrado que una delgada película de un material llamado Cd₃As₂, conocido como semimetal de Dirac, puede generar un efecto Hall anómalo (AHE) aplicando un campo magnético en el plano del material, sin necesidad de imanes ni de magnetización espontánea. El resultado es una prueba de las teorías fundamentales sobre cómo se comportan los electrones en sólidos y podría tener aplicaciones prácticas en sensores y dispositivos electrónicos mucho más eficientes.
Una forma inesperada de magnetismo sin imanes
La mayoría de las personas asocia el magnetismo con objetos como imanes o materiales ferromagnéticos. En física, el efecto Hall se refiere a la aparición de un voltaje perpendicular a la corriente eléctrica cuando un conductor se expone a un campo magnético. Este fenómeno, descubierto por Edwin Hall en 1879, es bien conocido y forma parte de la base de la electrónica moderna.
Pero existe una versión más intrigante: el efecto Hall anómalo (AHE). A diferencia del Hall clásico, el AHE no siempre necesita un campo magnético aplicado desde el exterior. En materiales magnéticos, aparece como consecuencia del magnetismo interno. Lo sorprendente del nuevo estudio es que este efecto también se ha observado en un sistema que no tiene magnetización.
Según el artículo publicado por investigadores del Institute of Science Tokyo, “el AHE inducido por campo puede aparecer incluso en sistemas no magnéticos” siempre que haya condiciones adecuadas que rompan la simetría de inversión temporal.
Un material en el límite de lo conocido: ¿electrones sin masa?
El material empleado en este estudio es el Cd₃As₂, un tipo de semimetal de Dirac. Este nombre proviene de la forma en que sus electrones se comportan: como si no tuvieran masa. En el contexto de los materiales cuánticos, los puntos de Dirac representan lugares donde las bandas de energía se cruzan, y los electrones en esas zonas actúan como partículas relativistas.
El equipo utilizó una técnica conocida como crecimiento epitaxial por haces moleculares para fabricar películas delgadas de Cd₃As₂ sobre un sustrato de CdTe. Al aplicar un campo magnético dentro del plano del material y hacer girar su dirección, detectaron una señal clara y repetible del efecto Hall anómalo. No era una señal común: presentaba una simetría triple, acorde con la estructura cristalina del plano del material.
Esta simetría es clave. Según explican los autores, “la AHE en el plano solo está permitida en planos con simetría de rotación impar respecto al eje perpendicular al plano”.
¿Qué es el crecimiento epitaxial por haces moleculares?
El crecimiento epitaxial por haces moleculares (MBE, por sus siglas en inglés) es una técnica de fabricación de materiales extremadamente precisa que permite construir capas delgadas de cristales átomo por átomo. En este proceso, los elementos que componen el material —como cadmio y arsénico en el caso del Cd₃As₂— se evaporan en forma de haces moleculares dentro de una cámara de vacío ultralimpia. Estos átomos se depositan lentamente sobre un sustrato caliente, donde se organizan de forma controlada siguiendo la estructura cristalina deseada. Gracias a su precisión, el MBE es ideal para crear películas con estructuras complejas y propiedades electrónicas diseñadas a medida, como las necesarias para observar efectos cuánticos sutiles como el Hall anómalo en materiales no magnéticos.
La importancia de la densidad de electrones
Uno de los hallazgos más notables del estudio es que la intensidad del efecto depende de cuántos electrones hay disponibles en el material. Al reducir la densidad electrónica, el efecto Hall anómalo se vuelve más pronunciado. En concreto, en las películas con densidades por debajo de 1017 electrones por centímetro cúbico, la señal fue hasta diez veces más intensa.
Este comportamiento se debe a que el campo magnético induce una curvatura de Berry, una propiedad geométrica del espacio de estados electrónicos que genera magnetización orbital. En materiales con menos electrones, el nivel de Fermi se acerca más a los puntos de cruce de bandas, lo que intensifica este fenómeno.
Como afirman los investigadores, “la AHE inducida por campo puede interpretarse como el efecto de la magnetización orbital inducida por el campo”.
Más allá de la teoría: una medición directa
Detectar este tipo de efecto no es trivial. En muchos experimentos, la señal del AHE se confunde con la del efecto Hall ordinario, que es mucho más fuerte y suele enmascarar cualquier contribución sutil. Para evitar esta interferencia, el equipo aplicó un campo dentro del mismo plano donde circula la corriente, en lugar de perpendicular, como suele hacerse en estos casos.
Este enfoque permitió separar las componentes simétricas y antisimétricas de la señal, y eliminar efectos espurios. El resultado fue una medición limpia del AHE, con una intensidad modulada por la dirección del campo magnético y con una clara reproducibilidad en diferentes muestras.
Consecuencias para la tecnología
Aunque este estudio es fundamentalmente experimental, sus implicaciones apuntan hacia la tecnología del futuro. Dispositivos como sensores magnéticos, memorias o elementos lógicos podrían beneficiarse de materiales que ofrezcan respuestas magnéticas sin necesidad de ser magnéticos. Esto abarata los costos, amplía las condiciones de operación y permite integrar los componentes en estructuras más versátiles.
A esto se suma que la detección y control del AHE inducido por campo en materiales no magnéticos añade una nueva herramienta al repertorio de la espintrónica, el campo que busca manipular el espín de los electrones, no solo su carga.
Referencias
- Shinichi Nishihaya, Hiroaki Ishizuka, Yuki Deguchi, Ayano Nakamura, Tadashi Yoneda, Hsiang Lee, Markus Kriener, Masaki Uchida. Anomalous Hall effect in Dirac semimetal probed by in-plane magnetic field. Physical Review Letters. DOI: https://doi.org/10.1103/5d7l-mr7k.
Cortesía de Muy Interesante
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