Los arcos de Fermi recién descubiertos que pueden ser controlados por magnetismo podrían ser el futuro de la electrónica basada en espines de electrones. Estos nuevos arcos de Fermi fueron descubiertos por un equipo de investigadores del Laboratorio Ames y la Universidad Estatal de Iowa, y colaboradores de Estados Unidos, Alemania y Reino Unido. Al investigar el monopnictide de tierras raras NdBi (neodimio-bismuto), el equipo de investigación descubrió un nuevo arco de Fermi que se producía a bajas temperaturas cuando el material se volvía antiferromagnético, lo que significa que los giros adyacentes apuntaban en direcciones opuestas.

Las superficies de Fermi en los metales son un límite entre los estados de energía ocupados y desocupados por electrones. Las superficies de Fermi suelen ser contornos cerrados que forman formas como esferas, formas de huevo, etc. Los electrones en la superficie de Fermi controlan muchas propiedades de los materiales, como la conductividad eléctrica y térmica, las propiedades ópticas, etc. En casos extremadamente raros, la superficie de Fermi contiene segmentos discretos conocidos como arcos de Fermi y, a menudo, se asocian con estados exóticos como la superconductividad.

Adam Kaminski, líder del equipo de investigación, explicó que los arcos de Fermi recién descubiertos son el resultado de la división de la banda de electrones que surge del ordenamiento magnético de los átomos de Nd, que constituyen el 50% de la muestra. Sin embargo, la división de electrones que el equipo observó en NdBi no fue el comportamiento típico de división de bandas.

Hay dos tipos establecidos de división de bandas, Zeeman y Rashba. En ambos casos, las bandas conservan su forma original después de dividirse. La división de bandas observada por el equipo de investigación resultó en dos bandas de diferentes formas. A medida que la temperatura de la muestra disminuyó, el espacio entre estas bandas aumentó y las formas de las bandas cambiaron, lo que indica un cambio en la masa del fermión.

«Esta división es muy, muy inusual porque estas bandas no solo aumentan el espacio, sino que también cambian la curvatura», dijo Kaminski. «Esto es muy diferente de cualquier cosa que la gente haya observado antes».

Los casos previamente conocidos de arcos de Fermi en semimetales de Weyl persisten porque son causados ​​por la estructura cristalina difícil de controlar del material. Sin embargo, los arcos de Fermi que el equipo detectó en NdBi son inducidos por el ordenamiento magnético de los átomos de Nd en la muestra. Este orden se puede cambiar fácilmente aplicando un campo magnético y posiblemente reemplazando el ion Nd con otro ion de tierra rara como cerio, praseodimio o samario (Ce, Pr o Sm). Debido a que Ames Lab es el líder mundial en investigación de tierras raras, estos cambios en la composición se pueden estudiar fácilmente.

“Este nuevo tipo de arco de Fermi ocurre cada vez que la muestra se vuelve antiferromagnética. Entonces, cuando la muestra desarrolla un orden magnético, esos arcos aparecen aparentemente de la nada», dijo Kaminski.

Según Kaminski, otra característica importante de estos nuevos arcos de Fermi es que tienen la llamada textura de giro. En los metales normales, cada estado electrónico está ocupado por dos electrones, uno hacia arriba y otro hacia abajo, por lo que no hay un giro neto. Los arcos de Fermi recién descubiertos tienen una única orientación de espín en cada uno de sus puntos. Dado que solo existen en un estado ordenado magnéticamente, los arcos se pueden encender y apagar muy rápidamente aplicando un pulso magnético, por ejemplo, un láser ultracorto.

«Tener tal decoración de espín o textura de espín es importante porque una de las aspiraciones en la electrónica es alejarse de la electrónica basada en carga. Todo lo que está usando ahora se basa en el movimiento de electrones en los cables y eso provoca la disipación», dijo Kaminski. .

La capacidad de controlar el giro de los electrones se refiere a una nueva rama de la tecnología de la información llamada espintrónica, que se basa en el giro de los electrones en lugar del movimiento de cargas a lo largo de los cables.

«En lugar de mover una carga, cambiamos la orientación del espín o hacemos que el espín se propague a lo largo del cable», explica Kaminski. «Estos cambios de giro técnicamente no deberían consumir energía, por lo que no se necesita mucha energía para almacenar información como giro o mover información como giro».

Kaminski enfatizó la importancia de este hallazgo para el campo, pero dijo que aún quedaba trabajo por hacer antes de que estos hallazgos pudieran usarse en nuevas tecnologías.

El crecimiento y la caracterización de cristales fueron apoyados por el Centro para el Avance de los Semimetales Topológicos (CATS), un Centro de Investigación de la Frontera Energética financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE de EE. UU.

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