Físicos detectan magnetismo 'octupolar' mediante vibraciones atómicas impulsadas por luz

La mayoría de los imanes que las personas manejan en la vida cotidiana son simples asuntos de dos polos: un norte y un sur, un positivo y un negativo. Esa disposición familiar, conocida como dipolo, sustenta todo, desde los imanes de refrigerador hasta los cabezales de lectura dentro de los discos duros. Pero a medida que la mecánica cuántica ha madurado, los investigadores han descubierto que el magnetismo puede adoptar formas mucho más extrañas dentro de ciertos materiales cristalinos, incluido un "orden octupolar" en el que una red de partículas se comporta colectivamente como si portara ocho polos magnéticos en lugar de los dos habituales.

La dificultad con estos estados magnéticos de orden superior es que son extraordinariamente difíciles de observar. Su momento magnético neto con frecuencia se cancela, dejando a las herramientas experimentales convencionales efectivamente ciegas ante un orden que está presente en el material todo el tiempo. Un equipo de físicos cuánticos de la Universidad de Toronto ha demostrado ahora un método para detectar tales estados ocultos utilizando luz para sondear las vibraciones atómicas generadas cuando los electrones giran. El estudio, publicado en Physical Review Letters, es descrito por sus autores como un primer paso crítico hacia la explotación del magnetismo multipolar en el almacenamiento de datos y el hardware informático de próxima generación.

Un orden magnético que los instrumentos ordinarios no pueden ver

El magnetismo de los libros de texto asume una imagen sencilla: cada átomo magnético actúa como una pequeña barra magnética, y la alineación colectiva de esas barras produce los efectos que observamos. El magnetismo multipolar rompe esa imagen. En lugar de un simple par de polos, la disposición de las partículas dentro del cristal produce una firma geométrica más complicada —en el caso octupolar, una que se lee como si ocho polos estuvieran distribuidos por la estructura.

Debido a que los polos están dispuestos simétricamente, sus contribuciones pueden cancelarse de maneras que ocultan el orden subyacente a las mediciones magnéticas estándar. Arun Paramekanti, profesor del Departamento de Física y del Centro de Información Cuántica y Control Cuántico de la Universidad de Toronto, y autor principal del trabajo, planteó el desafío con claridad: el equipo identificó firmas de un estado magnético oculto que no puede detectarse utilizando sondas ordinarias.

Esa invisibilidad es el obstáculo central en el campo. Un estado magnético que no puede leerse de manera fiable es un estado magnético que no puede usarse de manera fiable, por muy prometedoras que sean sus propiedades teóricas.

Usar la luz para escuchar fonones quirales

Los investigadores de Toronto abordaron el problema de forma indirecta. En lugar de intentar medir el orden magnético de frente, iluminaron un material cristalino y desencadenaron vibraciones minúsculas dentro de su estructura atómica. Esas vibraciones, descubrieron, transportan información sobre patrones magnéticos que las técnicas convencionales pasan por alto.

Los paquetes específicos de energía vibracional en los que se centró el equipo se conocen como fonones, que se desplazan por la red cristalina de un sólido de manera muy similar a como una onda viaja a lo largo de una cuerda tensada. Entre estos, los investigadores seleccionaron los fonones quirales: modos vibracionales que no coinciden con su propia imagen especular.

Por qué importa la quiralidad

La palabra quiral proviene del griego para mano, y la analogía es acertada. Una mano izquierda no puede encajar limpiamente sobre una mano derecha aunque las dos sean imágenes especulares una de otra. Los fonones quirales poseen precisamente este tipo de quiralidad, y es esa propiedad la que parece acoplarse a la disposición magnética por lo demás invisible en la red.

Al observar cómo interactúa la luz con estas vibraciones quirales, el equipo pudo inferir la presencia de un orden magnético que no deja rastro obvio en una medición convencional. El enfoque convierte efectivamente el propio movimiento atómico del cristal en un sensor para un estado que de otro modo permanecería oculto.

Hacia la memoria de lectura-escritura y los dispositivos cuánticos

El atractivo práctico del magnetismo de orden superior radica en el control. Si un estado magnético puede conmutarse de manera fiable y leerse de vuelta, puede servir como un bit. Los órdenes multipolares son candidatos atractivos porque son robustos frente a ciertos tipos de perturbación y, aun así, en principio, conmutables.

Paramekanti señaló que la investigación abre la posibilidad de utilizar imanes de orden superior en varias aplicaciones, incluidos elementos de memoria de lectura-escritura controlables del tipo que se encuentra en las computadoras cotidianas. Las direcciones potenciales identificadas por el equipo y el campo más amplio incluyen:

• Celdas de memoria cuyo estado magnético se lee y escribe mediante firmas ópticas o vibracionales en lugar de la detección de campo convencional.
• Arquitecturas de almacenamiento de datos que explotan el orden multipolar para empaquetar más estados distinguibles en un solo material.
• Tecnologías cuánticas que dependen de estados internos longevos y bien protegidos dentro de sólidos cristalinos.
• Componentes informáticos en los que la conmutación es impulsada por vibraciones de red desencadenadas por luz.

Ninguna de estas aplicaciones es inminente. El resultado de Toronto se refiere a la detección —establecer que un orden oculto puede observarse en absoluto— más que a la ingeniería de un dispositivo funcional. Pero la detección es el paso previo: sin un mecanismo de lectura fiable, el diseño de cualquier elemento de memoria o lógica construido sobre el orden octupolar sería conjetura.

Preguntas abiertas y el camino por delante

Quedan varias preguntas antes de que el magnetismo multipolar pase del laboratorio de física a la tecnología práctica. Los investigadores tendrán que determinar cuán robustas son las firmas de fonones quirales en diferentes materiales y temperaturas, con qué rapidez puede conmutarse un estado sin destruir el orden que lo hace útil, y si la misma sonda óptica puede adaptarse para escribir además de leer.

La importancia más amplia del trabajo es metodológica. Durante años, los órdenes magnéticos multipolares se han predicho y debatido en gran medida porque eran muy difíciles de confirmar experimentalmente. Demostrar que la espectroscopia vibracional impulsada por luz puede exponer un estado octupolar brinda a los investigadores un nuevo instrumento para probar esas predicciones directamente.

Por ahora, el resultado se mantiene como una prueba de principio de un grupo universitario de física cuántica, publicado en una revista revisada por pares. Su importancia radica menos en cualquier dispositivo individual que en el hecho de que una forma oculta de magnetismo se ha hecho visible —y una forma oculta de magnetismo, una vez visible, se convierte en algo que los ingenieros pueden empezar a pensar en controlar.

Este artículo se basa en reportajes de Phys.org. Lea el artículo original.