Logran que un haz de luz reescriba el magnetismo de un cristal atómico, abriendo la puerta a una memoria cuántica sin cables
CIENCIAS EXACTAS: FÍSICA.
Un grupo de físicos en Nueva York ha reunido la evidencia de que la luz puede leer y reescribir el magnetismo de ciertos cristales de solo unos átomos de grosor. ¿Hasta dónde llega ese control?.
Recreación artística de un cristal atómicamente delgado cuyo orden magnético es alterado por un haz de luz incidente. Fuente: Nano Banana / Scruzcampillo.
Pratap Chandra Adak y Vinod M. Menon, del City College de Nueva York (CCNY), acaban de publicar en Nature Materials una revisión que consolida años de trabajo experimental sobre unos cristales muy particulares: los semiconductores magnéticos de van der Waals, materiales que pueden adelgazarse hasta apenas unos átomos de espesor sin perder su estructura. En ellos, la luz, la carga eléctrica y el magnetismo dejan de comportarse como fenómenos separados. Forman parte de una familia más amplia de cristales cuánticos bidimensionales que en los últimos años ha ido revelando propiedades que no existen en la versión tridimensional del mismo material.
La pregunta de fondo es sencilla de formular y difícil de responder: ¿puede una fuente de luz controlar, no solo detectar, el ordenamiento magnético de un material? Conviene ser precisos desde el principio, porque la respuesta empieza a ser afirmativa solo en condiciones muy concretas, y el mecanismo que lo permite tiene nombre propio: el excitón.
Qué es un excitón y por qué actúa como interruptor.
Cuando la luz incide sobre uno de estos cristales, un fotón puede arrancar un electrón de su posición y dejar tras de sí un hueco cargado positivamente. Ese electrón y ese hueco no se separan del todo: quedan ligados en una pareja efímera llamada excitón, algo así como dos bailarines que giran unidos durante una fracción de segundo antes de disolverse. En materiales como el triyoduro de cromo (CrI₃), el bromosulfuro de cromo (CrSBr) o el trisulfuro de níquel-fósforo (NiPS₃), ese baile no ocurre en el vacío: el excitón interactúa directamente con el orden magnético del cristal, y esa interacción funciona en ambas direcciones. La luz no solo revela cómo está orientado el espín de cada átomo; en determinadas condiciones, puede llegar a reescribirlo.
"La luz deja de ser un simple instrumento de medida y pasa a comportarse como una palanca que empuja el orden magnético del cristal".
¿Y si la memoria del futuro no necesitara imanes externos para grabar un solo bit de información?
Qué es un magnón, y qué papel juega en la memoria del futuro.
El segundo concepto necesario para entender el alcance del hallazgo es el magnón. Los espines de los átomos de un material magnético no están completamente quietos ni completamente desordenados: pueden propagarse en oscilaciones colectivas, como la ola que recorre las gradas de un estadio cuando miles de espectadores se levantan y se sientan en sucesión. Esa oscilación de espín, cuantizada, es el magnón. Los coautores de la Universidad Técnica de Múnich y la Universidad de Washington, con financiación de DARPA y de la Fundación Gordon y Betty Moore, documentan que los excitones pueden acoplarse a esos magnones, lo que en la práctica significa que la luz podría manipular no solo el estado magnético estático de un material, sino sus ondas de espín en movimiento. Esa capacidad es la que alimenta el interés por la espintrónica y por los transductores cuánticos, dispositivos capaces de convertir información óptica en magnética sin cables ni corrientes eléctricas convencionales. Grosso modo, es la diferencia entre fotografiar un imán y poder reescribirlo con el obturador de una cámara.
Representación visual generada con IA del acoplamiento entre un excitón y una onda colectiva de espines en la red cristalina magnética de CrSBr, junto con el anticruce característico de dos modos resonantes acoplados. Fuente: ChatGPT / Scruzcampillo.
La cautela sigue siendo necesaria. Todas estas observaciones proceden de experimentos realizados a temperaturas criogénicas, muy por debajo de las condiciones en las que operaría cualquier dispositivo cotidiano, y todavía no existe un modelo teórico capaz de predecir de forma conjunta cómo interactúan excitones, espines, vibraciones de red (fonones) y fotones en estos sistemas. Los experimentos confirman el fenómeno dentro del criostato, pero falta el marco matemático que anticipe su comportamiento completo antes de pensar en cualquier aplicación fuera de él.
"Confirmar el acoplamiento en el laboratorio es solo el primer paso; predecirlo con un modelo unificado es lo que falta para salir de la nevera criogénica".
En cualquier caso, esta revisión no presenta un hallazgo puntual, sino que reúne resultados de varios grupos que llevan años observando el mismo fenómeno en cristales distintos, lo que refuerza su solidez frente a un experimento aislado. El hecho de que tres materiales diferentes, CrI₃, CrSBr y NiPS₃, muestren el mismo tipo de acoplamiento entre luz y magnetismo respalda que no se trata de una peculiaridad de una sola muestra, sino de una propiedad más general de los semiconductores magnéticos bidimensionales.
El interés por estos cristales laminares no es un caso aislado dentro de la física de materiales. En paralelo, otros grupos documentan cómo el grafeno bicapa reescribe las reglas de la superconductividad, o cómo aparece una fase cuántica capaz de brillar sin necesidad de una corriente eléctrica externa. Son piezas de un mismo rompecabezas: entender qué hace especiales a los cristales de una sola capa atómica frente a sus versiones voluminosas de toda la vida.
El siguiente paso, según se desprende de la propia revisión, pasa por encontrar sistemas en los que ese acoplamiento entre luz y espín sobreviva a temperaturas más manejables, y por construir el modelo teórico que hoy falta para predecirlo. Hasta entonces, cada nuevo cristal de van der Waals que se suma a la lista, junto al resto de materiales bidimensionales que van apareciendo en paralelo, es una pista más sobre hasta dónde puede llegar el control óptico del magnetismo antes de salir del congelador del laboratorio.
Por: Santiago Campillo Brocal. Biólogo. Máster en Biología Molecular y Biotecnología, Director de Muy Interesante Digital.
Sitio Fuente: MuyInteresante