Investigadores navegan por la onda Magnon para controlar las partículas en la electrónica de próxima generación

Apoyar el trabajo de CleanTechnica a través de una suscripción de subsistencia o en rayas.

Última actualización en: 14 de agosto de 2025, 12:04 am

El estudio revela el potencial de las ‘corrientes’ de Magnon para las tecnologías de vanguardia

Un nuevo estudio demuestra cómo Magnons, un tipo de onda que se encuentra en los sistemas magnéticos, puede manipular las interacciones entre los excitones, las “cuasipartículas” a unchargadas que transportan energía. Este descubrimiento proporciona información para ajustar el comportamiento de exciton en las tecnologías cuánticas, abriendo la puerta a aplicaciones de vanguardia.

Dos investigadores de NREL, junto con investigadores de colegios y universidades en Nueva York, Florida, la República Checa, Alemania, Inglaterra y España, demostraron que en una cierta clase de materiales semiconductores magnéticos, las interacciones de los pares de electrones, que forman la columna vertebral de muchos dispositivos electrónicos de próxima generación, se pueden controlar mediante la vinculación de las excitaciones magnéticas y de carga. Implementaron un marco teórico-mecánico cuántico que crearon para explicar estas observaciones. Este nuevo hallazgo, guiado por la teoría, podría conducir al desarrollo de transductores cuánticos, dispositivos que son cruciales para la comunicación cuántica y las tecnologías de computación.

“La observación de que los campos magnéticos pueden modular las interacciones de partículas de partículas en estos materiales es transformadora para nuestra comprensión de los semiconductores magnéticos”, dijo Mark van Schilfgaarde, el principal teórico de NREL que contribuyó a este estudio. “Comprender tales fenómenos altamente complejos se ha vuelto factible recientemente debido a los principales avances en los métodos de teoría y en el poder informático. Nuestro estudio se benefició enormemente de estos avances y de la colaboración directa con grupos experimentales”.

El equipo de investigación publicó sus hallazgos en un artículo publicado en Materiales de la naturaleza, titulado “Interacción excitón-excitón mediada por Magnon en un van der Waalsantiferromagnet“. La Oficina de Ciencias de la Energía Básica del Departamento de Ciencias de la Ciencia de EE. UU. Proporcionaron fondos para este trabajo, con el apoyo adicional de la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército, la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Simons, el Ministerio de Ciencia Española, Innovación y Universidades, y Ministerio de Educación Checa, Jóvenes y Deportes.

Comprender la formación de excitones y magnones

A pesar de que son invisibles a simple vista, los excitones son un “cuasipartícula” que se encuentra comúnmente en los dispositivos electrónicos cotidianos, desde paneles solares hasta luces LED e incluso teléfonos inteligentes.

Cuando la luz golpea una sustancia, puede energizar un electrón, lo que hace que salte a un nivel de energía más alto y deje un “agujero” o un electrón faltante. Este electrón y agujero, que se sienten atraídos entre sí debido a sus cargas opuestas, pueden separarse rápidamente y actuar de forma independiente, o mantenerse juntas y formar una entidad combinada conocida como excitón. Este excitón es un estado emocionado que se comporta como un solo “cuasipartícula” neutral. El proceso también se puede revertir, con el electrón que libera la luz y regresa a su estado original, aniquilando así el excitón. Este fenómeno es la base de muchos dispositivos electrónicos avanzados, ya que afecta cómo estos materiales absorben y emiten luz. Diferentes excitones dentro de un material pueden transportar energía a distancias variables y tener diferentes niveles de energía, ofreciendo numerosas posibilidades para nuevos tipos de optoelectrónica.

“Los excitones dentro de un material varían mucho en su energía unida, lo que afecta su capacidad para transportar energía a distancias pequeñas o grandes”, dijo Swagata Acharya de NREL, quien llevó a cabo la investigación teórica principal en este estudio. “La capacidad de controlarlos proporciona un rico patio de juegos para desarrollar muchos tipos nuevos de electrónica al influir en cómo absorben y emiten luz”.

De la misma manera que los excitones afectan las propiedades ópticas de un material, los magnones proporcionan una vía para manipular las propiedades magnéticas de un material. Cada electrón, ya sea parte de un excitón o no, contiene una aguja de brújula invisible (eje) orientada en una de dos direcciones, conocida como su “giro”. Los electrones dentro del mismo material no siempre se alinean de la misma manera, y el patrón resultante de giros de electrones afecta cómo responden a los campos magnéticos. Las influencias externas, como los cambios de temperatura o la absorción de energía, pueden hacer que los giros de electrones cambien y temble, produciendo ondas llamadas Magons. Al igual que la luz, los magnys exhiben propiedades similares a las de onda (como la frecuencia y la longitud de onda) y el comportamiento similar a las partículas (como la transferencia de energía y impulso).

Descubrir una vía para controlar las interacciones con exciton

El equipo de investigación seleccionó el bromuro de sulfuro de cromo (CRSBR) para su estudio. CRSBR es un material en capas como el grafito: los bonds dentro de una hoja son fuertes, mientras que las hojas se unen entre sí muy débilmente. Esto hace que CRSBR cuasi-dos dimensional. Debido a su naturaleza en capas, es un semiconductor magnético que soporta excitones y magnones mientras absorbe y emiten eficientemente la luz.

El equipo utilizó técnicas experimentales como aplicar diferentes campos magnéticos e iluminar el material con diferentes intensidades de luz para que se formen excitones.

Hicieron una nueva observación importante basada en estos experimentos. Por lo general, cuando la luz da energía a los electrones en un material, conduce a la formación de excitones, y a medida que se absorbe más luz, aumenta la densidad de los excitones. A medida que los excitones se acercan, se repelen entre sí, lo que aumenta su energía. Sin embargo, en este estudio, los investigadores aplicaron un campo magnético externo, alterando los giros de electrones y generando magnys. Como se formaron Magnons, los excitones se atrajeron entre sí, bajando su energía a una velocidad mucho más rápida de lo que ocurriría normalmente. El resultado? Un “desplazamiento al rojo no lineal” en la energía del excitón, que se combina con el magnetismo.

“Lo que está sucediendo aquí es que en un campo magnético finito donde los giros están inclinados, a medida que aumenta la densidad del exciton, que a su vez afecta el ángulo entre los giros de sublatticulación”, dijo Vinod Menon de City College of New York, profesor que fue el creador de este estudio. “Esto a su vez también afecta la energía del excitón general; se reduce aún más debido a un mayor acoplamiento entre capas”.

El modelado teórico realizado por los investigadores de NREL aclaró el papel preciso que desempeñan los Magnons para impulsar los efectos ópticos no lineales observados experimentalmente y señalaron el camino hacia tecnologías avanzadas y ajustables magnéticamente sintonizables basadas en esta clase de materiales.

Implicaciones de controlar las interacciones con excitones con Magnons

Más allá de CRSBR, el descubrimiento del equipo de aprovechar las interacciones excitón mediadas por Magnon abre la puerta a una variedad de aplicaciones. Los dispositivos ópticos que responden a la luz de baja intensidad podrían refinarse con este mecanismo, produciendo cámaras que detectan con mayor precisión cambios sutiles en la luz. Los transductores cuánticos que unen las señales de microondas y ópticas podrían mejorarse para producir velocidades de Internet y redes de comunicación más rápidas y confiables. Los procesadores de próxima generación que usan luz en lugar de electricidad para procesar información podrían producir procesadores más rápidos y eficientes para dispositivos como computadoras y teléfonos.

“Los materiales magnéticos de baja dimensión y CRSBR en particular”, dijo Acharya, “ofrece un medio muy prometedor para aplicaciones de próxima generación en fotónicos, computación cuántica, detección y transducción. Debido a nuestro marco teórico avanzado, ahora podemos comprender las interacciones extraordinariamente complejas entre la luz y el magnetismo que ocurren en estos materiales”.

Obtenga más información sobre Ciencias de la energía básica en Nrel y sobre el Departamento de Energía de los Estados Unidos Programa de Ciencias de la Energía Básica de la Oficina de Ciencias. Leer “Interacción Exciton-Exciton mediada por Magnon en un antiferromagnet de van der Waals” en Materiales de la naturaleza.