Físicos descubren nuevos arcos de Fermi que podrían ayudar a la espintrónica, el futuro de la electrónica

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Físicos descubren nuevos arcos de Fermi que podrían ayudar a la espintrónica, el futuro de la electrónica

Red de estructuras magnéticas en un vórtice. / C. Pfeiderer / TUM

Un equipo internacional de científicos ha detectado un nuevo tipo de arcos de Fermi mientras estudiaba monopnictide de tierras raras NdBi (neodimio-bismuto). Las propiedades recién descubiertas podrían ser el futuro de la electrónica basada en espines de electrones. Los datos fueron publicados en Nature.

Las superficies de Fermi en los metales son un límite entre los estados de energía que están ocupados y desocupados por electrones. Normalmente son contornos cerrados que generan formas como esferas, ovoides, etc.

Los electrones en la superficie de Fermi controlan muchas propiedades de los materiales, como la conductividad eléctrica y térmica o las propiedades ópticas. En muy raras ocasiones, la superficie de Fermi contiene segmentos desconectados conocidos como arcos de Fermi, a menudo asociados con estados exóticos como la superconductividad

El trabajo 

Adam Kaminski, quien lideró la investigación, explicó que los arcos de Fermi recién descubiertos son el resultado de la división de la banda de electrones, la cual, a su vez, resulta del orden magnético de los átomos de Nd que constituyen el 50% de la muestra. Sin embargo, la división de electrones observada en NdBi no era parte del 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 encontrada por el equipo resultó en dos bandas de diferentes formas. 

A medida que la temperatura de la muestra disminuyó, la separación entre las bandas aumentó y sus formas cambiaron. Esto 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, algo muy diferente de cualquier otra cosa que se haya observado hasta la fecha», dijo Kaminski. 

Los nuevos arcos

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. Pero, los arcos de Fermi descubiertos en NdBi son inducidos por el ordenamiento magnético de los átomos de Nd en la muestra. 

Dicho orden se puede modificar fácilmente aplicando un campo magnético y posiblemente cambiando el ion Nd por otro ion de tierra rara, tales como el cerio, el praseodimio o el samario (Ce, Pr o Sm). 

“Este nuevo tipo de arcos de Fermi aparece cada vez que la muestra se vuelve antiferromagnética. Entonces, cuando la muestra desarrolla un orden magnético, los arcos surgen aparentemente de la nada”, señaló Kaminski.

Magnetic Band Spitting
Izquierda: Progresión visual de la división de la banda magnética a medida que disminuye la temperatura. Derecha: El gráfico superior muestra el comportamiento conocido de división de bandas de Zeeman y Rashba. La parte inferior muestra el comportamiento de división de bandas recién observado. / Ames Laboratory.

Otra característica importante de estos nuevos arcos de Fermi es que tienen algo denominado 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 una decoración o textura de giro de este tipo es importante porque una de las misiones en la electrónica es alejarse de la electrónica basada en la carga. Lo que hace ahora es mover electrones en los cables provocando la disipación”, indicó Kaminski. 

Aplicaciones

La capacidad de controlar el espín de los electrones se relaciona con una nueva rama de la tecnología de la información llamada espintrónica. Este campo 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 del trabajo para el campo. Sin embargo, es consciente de que aún se necesitan muchas investigaciones antes de poder usar el hallazgo en nuevas tecnologías

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