Los materiales bidimensionales han despertado un gran interés debido a que sus propiedades electrónicas y magnéticas podrían impulsar las tecnologías del futuro. Tradicionalmente, los científicos han considerado estos dos comportamientos como independientes. Sin embargo, ingenieros de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han demostrado que están conectados por la misma base matemática.
En un estudio publicado en Physical Review X, investigadores de The Grainger College of Engineering de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign demostraron cómo los sistemas magnéticos bidimensionales, diseñados específicamente, pueden seguir las mismas ecuaciones que describen el movimiento de los electrones en el grafeno. Esta conexión matemática podría influir en el diseño de dispositivos de radiofrecuencia y proporcionar a los investigadores una nueva y potente herramienta para analizar y diseñar estos materiales.
“No es evidente en absoluto que exista una analogía entre la electrónica 2D y los comportamientos magnéticos 2D, y todavía nos asombra lo bien que funciona esta analogía”, afirmó Bobby Kaman, el autor principal del estudio. “La electrónica 2D está muy estudiada gracias al descubrimiento del grafeno, y ahora hemos demostrado que una clase de materiales poco estudiada obedece a las mismas leyes fundamentales de la física”.
Inspiración en metamateriales y grafeno
El concepto surgió del trabajo de Kaman con metamateriales, materiales diseñados para producir comportamientos que no se encontrarían normalmente en su estructura atómica natural.
Kaman, 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 en los llamados materiales magnónicos se comportan como ondas. Esta similitud planteó una posibilidad intrigante: ¿podría diseñarse un sistema magnético que se comportara matemáticamente como el grafeno?
“El grafeno es único porque sus electrones de conducción se organizan en ondas sin masa, así que sentí curiosidad por saber si alterar la geometría física de un material magnónico para que se pareciera al grafeno lo haría actuar como el grafeno”, explicó Kaman. “Pensé que quizás tendría un puñado de propiedades similares al grafeno, pero la analogía fue mucho más profunda y rica de lo que esperaba”.
Diseñando un sistema magnético que imita al grafeno
Para explorar esta idea, los investigadores modelaron una fina película magnética que contenía pequeños agujeros dispuestos en un patrón hexagonal. Dentro de esta estructura, los momentos magnéticos microscópicos, conocidos como “spins”, interactúan y producen perturbaciones viajeras llamadas ondas de espín.
Cuando el equipo calculó las energías de estas ondas de espín, descubrió que su comportamiento matemático coincidía estrechamente con el de los electrones que se mueven a través del grafeno.
El sistema resultó ser aún 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 que aparezcan varios tipos de comportamientos al mismo tiempo, incluyendo ondas de espín sin masa similares a las ondas de electrones del grafeno, así como bandas de baja dispersión asociadas a estados localizados e incluso efectos topológicos que abarcan múltiples bandas.
“Lo que hace que el trabajo de Bobby sea notable es que establece una conexión directa entre un sistema de espín diseñado y un modelo fundamental de la física”, dijo Hoffmann. “Los cristales magnónicos son notorios por producir una gran variedad de fenómenos dependientes de la estructura y la geometría, la mayoría de los cuales se catalogan sin comprender realmente. La analogía del grafeno en este sistema proporciona una explicación clara de los comportamientos observados”.
Potencial para dispositivos de microondas más pequeños
Más allá de su importancia para la física básica, la investigación podría tener aplicaciones prácticas. El equipo cree que el sistema podría ser útil en la tecnología de microondas utilizada en las comunicaciones inalámbricas y celulares.
“Uno de estos dispositivos es un ‘circulador de microondas’ que solo permite que las señales de radio de microondas se propaguen en una dirección”, explicó Hoffmann. “Normalmente son voluminosos, pero el sistema magnónico que estudiamos podría permitir miniaturizar los dispositivos de microondas a la escala del micrómetro”.
El grupo de investigación de Hoffmann 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 Ciencia e Ingeniería de Materiales de Illinois a través de la National Science Foundation.
Axel Hoffmann es profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Illinois Grainger Engineering. También está afiliado al Materials Research Laboratory y es titular de la cátedra Founder Professor.
