Magnetismo distorsionado

Una colaboración entre físicos del CONICET y la UNLP dio lugar a una nueva perspectiva en la descripción del orden magnético en los "hielos de spin". El trabajo fue publicado recientemente por la revista Nature Communications.

Los materiales en su forma cristalina son lo más parecido a nuestros conceptos ideales de orden y simetría. Este orden espacial de los átomos o moléculas tiene implicancias directas en las propiedades del material; así, un mismo elemento nos da el vulgar carbón, el grafito y también el diamante. Pero, ¿qué consecuencias tiene en la vida real que un cristal se aparte de esa forma ideal, aunque solo fuera en una manera mínima y sutil? Una respuesta a esta pregunta, en el contexto de los "hielos de spin", es el tema de un trabajo llevado a cabo por investigadores del CONICET y la UNLP y publicado recientemente en la revista Nature Communications. 

El origen del estudio tiene lugar a partir del intercambio entre dos grupos de investigadores en física: uno teórico liderado por Daniel Cabra en el IFLP- CONICET La Plata, y otro experimental y de simulaciones computacionales liderado por Santiago Grigera en el IFLYSIB-UNLP. Durante el proceso también intervinieron laboratorios extranjeros de la Universidad de Oxford, a partir de la preparación de un "hielo de spin" cristalino en base a Ho, y la Universidad de St. Andrews que cedió sus instalaciones para la utilización de un imán vectorial y un refrigerador de dilución para realizar las últimas medidas.

Tomando como punto de partida el estudio experimental de la susceptibilidad magnética de los "hielos de spin" más estudiados en la literatura (los compuestos Dy2Ti2O7 y Ho2Ti2O7 ) y analizando teóricamente los posibles efectos de distorsiones elásticas de la red cristalina, el equipo de investigación logró construir un modelo teórico que, mediante el estudio de simulaciones computacionales, mostró que es capaz de reproducir resultados experimentales detallados que hasta el momento no tenían explicación satisfactoria en la comunidad científica.

Dos puntos destacados del estudio son la aparición de una fase magnética intermedia con orden laminar y una importante alternativa en la discusión del orden magnético en el estado de mínima energía, en la cual, sorpresivamente, la distorsión cristalina contribuye a preservar los efectos de la frustración magnética.

Los "hielos de spin" son miembros de una familia de compuestos magnéticos llamados "frustrados", ya que en ellos no se satisfacen simultáneamente todas las condiciones que llevarían a minimizar la energía magnética del material. Esta "frustración", lejos de ser algo negativo, es justamente uno de los puntos atractivos de esta familia de compuestos, ya que a partir de esta lucha entre tendencias opuestas surgen nuevos fenómenos y tipos de orden. En el caso particular de los "hielos de spin", la frustración es de origen geométrico, una consecuencia de su estructura cristalina basada en tetraedros.

Las distorsiones o deformaciones de un cristal pueden tener muchos orígenes en la vida real, tales como las tensiones internas o externas a las que está sometido, o desorden por vacancias. Pero también es posible, en el caso magnético, que las distorsiones surjan a partir de una competencia entre tendencias distintas: el costo energético de producir una deformación puede verse contrapesado por una ganancia en la interacción magnética. Este es un proceso sutil y retroalimentado, ya que justamente la alteración de las distancias entre átomos del cristal influencia fuertemente las interacciones magnéticas entre esos mismos átomos. De acuerdo al trabajo recientemente publicado, en los "hielos de spin" este efecto lleva a la aparición de nuevas fases magnéticas.

 

www.nature.com/articles/ncomms12592