Los materiales bidimensionales han despertado un gran interés porque sus propiedades electrónicas y magnéticas podrían impulsar tecnologías futuras. Los científicos tradicionalmente han tratado estos dos comportamientos como separados. Los ingenieros de Illinois Grainger Engineering han demostrado ahora que están conectados por las mismas matemáticas subyacentes.
En un estudio publicado en Revisión Física Xinvestigadores de la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois en Urbana Champaign demostraron cómo los sistemas magnéticos bidimensionales especialmente diseñados pueden seguir las mismas ecuaciones que describen los electrones móviles en el grafeno. Esta conexión matemática podría influir en el diseño de dispositivos de radiofrecuencia y también 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 los comportamientos magnéticos 2D, y todavía estamos sorprendidos de lo bien que funciona esta analogía», dijo Bobby Kaman, autor principal del estudio. «La electrónica 2D está muy bien estudiada gracias al descubrimiento del grafeno, y ahora hemos demostrado que una clase de materiales no tan bien estudiada obedece a la misma física fundamental».
Inspiración de los metamateriales y el grafeno
El concepto surgió del trabajo de Kaman con metamateriales. Estos materiales están diseñados para que su estructura a mayor escala produzca comportamientos que normalmente no ocurrirían 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 en los llamados materiales magnónicos se comportan como ondas. Esta similitud planteó una posibilidad intrigante. Quizás se podría diseñar un sistema magnético que se comporte matemáticamente como el grafeno.
«El grafeno es único porque sus electrones de conducción se organizan en ondas sin masa, por lo que tenía curiosidad por saber si alterar la geometría física de un material magnónico para que pareciera grafeno haría que actuara como grafeno», dijo Kaman. «Pensé que tal vez tendría algunas propiedades similares al grafeno, pero la analogía era mucho más profunda y rica de lo que esperaba».
Diseño de un sistema magnético que imita el grafeno
Para explorar la idea, los investigadores modelaron una delgada película magnética que contenía pequeños agujeros dispuestos en un patrón hexagonal. Dentro de esta estructura, momentos magnéticos microscópicos, conocidos como «espines», interactúan y producen perturbaciones viajeras llamadas ondas de espín.
Cuando el equipo calculó las energías 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 incluso 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 conductas al mismo tiempo. Entre ellas se encuentran ondas de espín sin masa similares a las ondas de electrones del grafeno, así como bandas de baja dispersión asociadas con 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 de física fundamental», dijo Hoffmann. «Los cristales magnónicos son conocidos por producir una abrumadora variedad de fenómenos dependientes de la estructura y la geometría, la mayoría de los cuales están catalogados sin entenderse realmente. La analogía del grafeno en este sistema proporciona una explicación clara para 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 puede ser útil en la tecnología de microondas utilizada en comunicaciones inalámbricas y celulares.
«Uno de estos dispositivos es un ‘circulador de microondas’ que sólo permite que las señales de radio de microondas se propaguen en una dirección», explicó Hoffmann. «Suelen ser voluminosos, pero el sistema magnónico que estudiamos podría permitir miniaturizar los dispositivos de microondas a escala micrométrica».
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 Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de Illinois a través de la Fundación Nacional de Ciencias.
Axel Hoffmann es profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Grainger Engineering de Illinois en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. También está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales y es profesor fundador.
