Un estudio muestra por primera vez que es posible manipular fonones con campos magnéticos

Estos resultados, publicados en la revista Physical Review Letters por científicos de la Universidad de São Paulo y de la Rice University, podrán utilizarse para mejorar dispositivos termoeléctricos

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Un fonón es una excitación que se propaga por la red cristalina de un material sólido. En la física clásica, podría describírselo como una onda elástica. Pero teniendo en cuenta que este fenómeno sucede a escala atómica, es necesario echar mano de la física cuántica. Y en este caso, ha de pensarse al fonón como un cuanto de energía que viaja por la red, o como una cuasipartícula.

La manipulación de fonones brinda un amplio abanico de aplicaciones tecnológicas: entre ellas pueden mencionarse el transporte de calor en dispositivos termoeléctricos, la modificación de las propiedades de un material o incluso la inducción de efectos cuánticos como la supercondutividad.

“Existen diversas formas de controlar a los fonones. Pero hasta la realización de nuestro estudio, no era esperable que pudiesen utilizarse campos magnéticos a tal fin”, dice el investigador Félix Hernández, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), en Brasil.

Una investigación llevada a cabo por Hernández en colaboración con Junichiro Kono, de la Rice University, en Estados Unidos, obtuvo ese tipo de manipulación en muestras de telururo de plomo (PbTe), uno de los materiales que más se emplean para aplicaciones termoeléctricas. Y sus resultados salieron publicados en el periódico científico Physical Review Letters.

La metodología

Las películas finas de PbTe se elaboraron en el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe) de Brasil. Y se las sometió a la acción de campos magnéticos extredamamente intensos, superiores a 25 teslas en el laboratorio de la Rice University, en Houston, Texas. A modo de comparación, puede decirse que un campo magnético de esa magnitud es 5.000 veces más intenso que el de un imán común, de aquellos que se ponen en la puerta de la heladera.

“Cuando los átomos vibran en forma sincronizada, los fonones pueden entenderse como ondas acústicas, que se propagan por la red y transfieren calor. Pero existe también otra modalidad de fonón. Si se lanza un pulso de láser sobre el telururo de plomo, los iones de telurio y plomo que forman la red cristalina pasarán a oscilar transversalmente en la misma dirección, pero en sentidos contrarios. Se clasifica a estos fonones como de tipo óptico”, informa Hernández.

Al aplicarse el campo magnético intenso, los iones de telurio y plomo, que poseen masas diferentes, adquieren un momento angular. Y el movimiento transversal se transforma en circular. “Los fonones ópticos polarizados circularmente absorben luz de manera desigual, en un fenómeno al que se lo conoce como dicroísmo circular magnético. Adicionalmente, observamos que las frecuencias de esos fonones se separan en función de la magnitud del campo. Esto es producto del momento magnético en la interacción de Zeeman y del desplazamiento diamagnético”, afirma el investigador.

El efecto Zeeman, que así se lo denomina en alusión al nombre de su descubridor, el físico neerlandés Pieter Zeeman (1865-1943), galardonado con el Premio Nobel de Física en 1902, consiste en la división de las líneas espectrales de un material causada por un fuerte campo magnético. Con respecto al diamagnetismo, este consiste en la aparición de un momento angular orientado en el sentido opuesto al del campo magnético externo. “Demostramos que estos datos observados son producto de alteraciones mórficas inducidas por el campo magnético en las simetrías del cristal”, comenta Hernández.

Este estudio suministró un conjunto de resultados bastante significativo. En resumen, demostró que el modo de oscilación de los fonones no es armónico, que los fonones se suavizan, es decir, que su energía disminuye con la baja de la temperatura, que los fonones se vuelven circularmente polarizados, a derecha o a izquierda, en el campo, que cada sentido de polarización, a la derecha o la izquierda, absorbe luz en forma distinta, esto es, que el material pasa a exhibir dicroísmo circular magnético, que la separación en energía de los tipos de polarización se debe a la interacción de Zeeman y al desplazamiento diamagnético, y que la interacción de Zeeman es cien veces más intensa que la esperable según la teoría.

“Fue la primera vez que se observó el diamagnetismo de fonones”, destaca Hernández. y remata: “Este trabajo presenta la prueba de concepto de un nuevo mecanismo tendiente a controlar los fonones, que podrá emplearse para mejorar los dispositivos termoeléctricos”.

Según el investigador, el próximo paso consistirá en investigar las propiedades magnéticas de los fonones de PbTe dopados con estaño (Sn), que es un aislante topológico cristalino.

El estudio contó con el apoyo de la FAPESP por dos vías: el Proyecto Temático intitulado “Investigaciones en nuevos materiales con campos magnéticos intensos y bajas temperaturas”, a cargo de Gennady Gusev y del cual Hernández fue uno de los investigadores principales, y el proyecto intitulado “Rotación de Kerr/Faraday en materiales cuánticos”, coordinado por el propio Hernández.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Magnetic Control of Soft Chiral Phonons in PbTe en el siguiente enlace: journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.075901. Y el texto también se encuentra disponible en el repositorio arXiv: arxiv.org/abs/2107.07616#:~:text=PbTe%20crystals%20have%20a%20soft,in%20anomalously%20low%20thermal%20conductivity.