Un equipo de investigación liderado por el Instituto Paul Scherrer ha examinado espectroscópicamente el fraccionamiento de la carga electrónica en un ferroimán metálico basado en hierro. Esta observación experimental no solo tiene importancia fundamental, sino que, al ocurrir en una aleación de metales comunes a temperaturas accesibles, podría tener potencial para futuros dispositivos electrónicos. Los resultados de este descubrimiento han sido publicados en la revista Nature.
A pesar de que la mecánica cuántica básica sostiene que la carga electrónica es indivisible, se han observado excepciones a lo largo del tiempo. En ciertas situaciones, los electrones pueden organizarse colectivamente como entidades independientes, cada una con una fracción de la carga, desafiando la cuantificación de la carga del electrón.
El fraccionamiento de la carga no es un fenómeno nuevo, ya que se ha observado experimentalmente desde finales de los años 1980 con el efecto Hall cuántico fraccional. En este fenómeno, se observa que la conductancia de un sistema bidimensional está cuantificada en unidades de carga fraccionarias en lugar de enteras.
A diferencia del Efecto Hall, que proporciona una medida indirecta del fraccionamiento de la carga a través del voltaje, este equipo de investigación, proveniente de instituciones en Suiza y China, ha logrado revelar la dinámica microscópica mediante la espectroscopía de electrones emitidos por un ferroimán al ser iluminado con láser.
Para fraccionar las cargas, es esencial llevar a los electrones a un entorno inusual donde dejen de seguir las reglas convencionales. En los metales convencionales, los electrones normalmente se mueven por el material, ignorándose entre sí, salvo por algunas interacciones ocasionales. Sin embargo, en ciertos materiales, condiciones extremas pueden provocar que los electrones interactúen y se comporten colectivamente.
Lea también: Un hongo crece sobre una rana viva en un hallazgo inusual
La clave para este descubrimiento radica en las bandas planas, regiones de la estructura electrónica donde todos los electrones se encuentran en el mismo estado energético, con masas efectivas casi infinitas. Estas bandas planas, raras y buscadas, pueden dar lugar a fenómenos como formas exóticas de magnetismo o estados cuánticos fraccionarios de Hall.
A diferencia de los métodos convencionales que aplican fuertes campos magnéticos y temperaturas muy bajas para observar el Efecto Hall cuántico fraccional, este equipo logró crear una estructura reticular utilizando la disposición kagome, característica de capas atómicas en compuestos químicos. Su descubrimiento se realizó en el compuesto Fe3Sn2, formado únicamente por hierro (Fe) y estaño (Sn), ensamblados en el patrón kagome de triángulos compartiendo esquinas.
El láser ARPES (espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo láser) permitió a los investigadores examinar la estructura electrónica del material con una resolución sin precedentes. Aunque originalmente se centraron en verificar la existencia de bandas planas en el material ferromagnético, las mediciones revelaron características inesperadas.
Enfocándose en dominios cristalinos específicos, el equipo identificó bolsas de electrones, regiones donde la energía de los electrones es mínima, comportándose como excitaciones colectivas. La observación detallada reveló una banda dispersiva interactuando con una banda plana, contradiciendo los cálculos de la teoría funcional de la densidad.
Este comportamiento inusual llevó a la observación de la fraccionación de la carga cuando las dos bandas se encontraron. La nueva banda formada durante la interacción contenía una fracción de la carga original, evidenciando el fraccionamiento de la carga de manera directa.
En palabras del líder del estudio, Gabriel Aeppli, este hallazgo no solo es emocionante desde una perspectiva de investigación fundamental, sino que también plantea la pregunta de si dispositivos electrónicos podrían aprovechar este fenómeno, dada su observación en aleaciones de metales comunes a temperaturas relativamente accesibles.
La información es libre, pero investigar en profundidad, analizar datos y escribir en un lenguaje sencillo toma tiempo, apoya a nuestros editores a través de:
