Los materiales bidimensionales han atraído un gran interés porque sus propiedades electrónicas y magnéticas pueden impulsar tecnologías futuras. Los científicos tradicionalmente han tratado estos dos comportamientos como separados. Los ingenieros de Illinois Granger Engineering han demostrado ahora que están conectados por las mismas matemáticas subyacentes.
En un estudio publicado por el Dr. Exploración física xInvestigadores de la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han demostrado cómo un sistema magnético bidimensional especialmente diseñado puede seguir la misma ecuación que describe los electrones móviles en el grafeno. Esta conexión matemática podría influir en el diseño de dispositivos de radiofrecuencia y proporcionar a los investigadores una nueva y poderosa forma de analizar y diseñar estos materiales.
“No es del todo obvio que exista una analogía entre la electrónica 2D y el comportamiento magnético 2D, y todavía nos sorprende lo bien que funciona esta analogía”, dijo Bobby Kaman, autor principal del estudio. “La electrónica 2D ha sido muy bien estudiada gracias al descubrimiento del grafeno, y ahora demostramos que una clase poco estudiada obedece a la misma física fundamental”.
Inspiración en los metamateriales y el grafeno
El concepto surgió del trabajo de Cannon sobre metamateriales. Estos materiales están diseñados para que su estructura a mayor escala produzca un comportamiento que normalmente no ocurriría en la disposición atómica natural del material.
Kaman, un estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales que trabaja en el grupo de investigación del profesor Axel Hoffmann, se dio cuenta de que tanto los electrones del grafeno como las excitaciones magnéticas microscópicas se comportan como ondas en el llamado material magnónico. Este partido plantea una perspectiva intrigante. Quizás se pueda diseñar un sistema magnético que se comporte matemáticamente como el grafeno.
“El grafeno es único porque sus electrones de conducción están organizados en ondas sin masa, por lo que tenía curiosidad por ver si la geometría física del material magnónico haría que pareciera grafeno y actuara como grafeno”, dijo Kaman. “Pensé que podría tener algunas propiedades similares al grafeno, pero la similitud era mucho más profunda y rica de lo que esperaba”.
Diseñando un sistema magnético que imita el grafeno
Para explorar la idea, los investigadores modelaron una fina película magnética que contenía pequeños agujeros dispuestos en un patrón hexagonal. Dentro de esta estructura, momentos magnéticos microscópicos, conocidos como “espines”, interactúan y crean perturbaciones viajeras llamadas ondas de espín.
Cuando el equipo calculó la energía de estas ondas de espín, descubrieron que su comportamiento matemático se asemejaba mucho al de los electrones que se movían a través del grafeno.
El sistema resultó ser más complejo de lo esperado. En lugar de una simple analogía uno a uno, los investigadores identificaron nueve bandas de energía distintas. Estas bandas permiten mostrar diferentes tipos de comportamiento al mismo tiempo. Incluyen ondas de espín sin masa, como las ondas de electrones en el grafeno, así como bandas de dispersión más bajas asociadas con estados localizados e incluso efectos topológicos que abarcan múltiples bandas.
“Lo que hace que el trabajo de Bobby sea extraordinario es que establece una conexión directa entre un sistema de giro diseñado y un modelo de física fundamental”, dijo Hoffman. “Los cristales magnónicos son conocidos por producir una abrumadora variedad de fenómenos dependientes de la estructura y la geometría, muchos de los cuales están catalogados sin entenderse realmente. La analogía del grafeno con este sistema proporciona una explicación clara de los comportamientos observados”.
Potencial para pequeños dispositivos de microondas
Más allá de su importancia para la física fundamental, la investigación puede tener aplicaciones prácticas. El equipo cree que el sistema podría ser útil en la tecnología de microondas utilizada en comunicaciones celulares e inalámbricas.
“Uno de esos dispositivos es un ‘circulador de microondas’ que sólo permite que las señales de radio de microondas se propaguen en una dirección”, explica Hoffman. “Suelen ser voluminosos, pero el sistema magnónico que estudiamos podría permitir miniaturizar los dispositivos de microondas en la escala micrométrica”.
El grupo de investigación de Hoffman ya ha presentado una solicitud de patente que cubre sus conceptos de dispositivos de microondas.
Jinho Lim y Yingkai Liu también contribuyeron a la investigación.
El apoyo para el trabajo fue proporcionado por el Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de Illinois a través de la Fundación Nacional de Ciencias.
Axel Hoffmann es profesor de ingeniería Granger de Illinois en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. También está asociado al Laboratorio de Investigación de Materiales y ha sido nombrado profesor fundador.
