Científicos han descubierto una relación matemática que une el magnetismo con las vibraciones cristalinas, análoga a la ecuación de Lyddane-Sachs-Teller. Este hallazgo podría revolucionar el estudio de materiales y mejorar dispositivos electrónicos

Los descubrimientos científicos a menudo surgen de conexiones inesperadas entre conceptos que parecían no tener relación. Un equipo de investigadores de la Universidad de Lund ha logrado precisamente eso: han identificado un vínculo sorprendente entre el magnetismo y las vibraciones cristalinas, lo que podría abrir nuevas vías en el estudio de materiales y en el desarrollo de tecnologías avanzadas.

En un artículo publicado en Physical Review Letters, los científicos han demostrado la existencia de una relación análoga a la clásica ecuación de Lyddane-Sachs-Teller (LST), pero en el ámbito magnético. La ecuación LST original, formulada en 1941, describe cómo los materiales responden a campos eléctricos en términos de sus propiedades de vibración atómica. Ahora, por primera vez, se ha encontrado un equivalente en el dominio magnético, lo que sugiere que la interacción entre el campo magnético y la materia sigue reglas matemáticas similares a las del campo eléctrico.

¿Qué es la ecuación de Lyddane-Sachs-Teller y por qué es importante?

Para comprender la magnitud de este hallazgo, es esencial conocer la ecuación Lyddane-Sachs-Teller original. Esta relación establece un vínculo entre las vibraciones de la red cristalina de un material y su respuesta eléctrica, comparando cómo se comporta en ausencia y presencia de un campo eléctrico. Es una herramienta fundamental en la física del estado sólido, utilizada para analizar propiedades de materiales en disciplinas como la optoelectrónica y la nanotecnología.

La ecuación LST explica cómo la relación entre la permeabilidad dieléctrica estática y la de alta frecuencia está determinada por las frecuencias de resonancia de los modos de vibración del cristal. Gracias a esta ecuación, se ha podido diseñar desde semiconductores más eficientes hasta sensores de precisión utilizados en diversas aplicaciones tecnológicas.

Ahora, los investigadores de Lund han extendido este concepto al magnetismo, encontrando una relación matemática similar que vincula la permeabilidad magnética estática con las frecuencias de resonancia magnética de un material. Este descubrimiento abre una nueva línea de investigación en el campo de los materiales magnéticos.

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La ecuación de Lyddane-Sachs-Teller aparece en el paper. La versión clásica de esta ecuación, que relaciona la permeabilidad dieléctrica con las frecuencias de oscilación de un material, se expresa como:

Donde:

• εdc es la permeabilidad dieléctrica estática (cuando la frecuencia es cero).
• ε∞ es la permeabilidad dieléctrica a alta frecuencia.
• ωLO es la frecuencia de oscilación longitudinal.
• ωTO es la frecuencia de oscilación transversal.

En el caso de materiales con múltiples modos de vibración, la ecuación se generaliza como:

Esta ecuación ha sido utilizada durante décadas en física del estado sólido para describir el comportamiento de materiales en respuesta a campos eléctricos.

En el paper, los investigadores han encontrado una versión magnética de esta ecuación, que en lugar de depender de la permeabilidad dieléctrica, lo hace en función de la permeabilidad magnética (μ) y las frecuencias de resonancia magnética:

Esta nueva ecuación establece una conexión entre la permeabilidad magnética estática y las frecuencias de resonancia magnética, de forma análoga a la ecuación original para la respuesta dieléctrica.

El nacimiento de la ecuación LST magnética

La idea de que una ecuación análoga a la de Lyddane-Sachs-Teller podía existir en el ámbito magnético surgió del trabajo previo del profesor Mathias Schubert, quien sospechaba que debía haber una correspondencia entre la respuesta de los materiales a los campos eléctricos y magnéticos. Sin embargo, demostrarlo requería herramientas experimentales muy precisas.

El avance crucial llegó con el desarrollo de una nueva técnica: la elipsometría de resonancia paramagnética electrónica en terahercios (THz-EPR-GSE). Gracias a esta tecnología, los investigadores pudieron medir con gran precisión cómo un material responde a un campo magnético en un amplio rango de frecuencias. Aplicaron esta técnica a un semiconductor de nitruro de galio dopado con hierro y compararon los resultados con mediciones obtenidas mediante magnetometría SQUID, una técnica extremadamente precisa.

Los datos confirmaron lo que el equipo sospechaba: la ecuación de Lyddane-Sachs-Teller también se aplica en el dominio magnético, estableciendo una relación entre la permeabilidad magnética y las frecuencias de resonancia del material.

Implicaciones del descubrimiento

Este hallazgo tiene varias implicaciones relevantes en el campo de la física y la ingeniería de materiales. Por un lado, permite una comprensión más profunda de los fenómenos magnéticos en materiales semiconductores, lo que podría ayudar a diseñar dispositivos electrónicos más eficientes. Por otro, abre nuevas posibilidades en el estudio de materiales antiferromagnéticos y altermagnéticos, que presentan propiedades de gran interés en aplicaciones como la computación cuántica y el almacenamiento de datos avanzados.

Por otra parte, la posibilidad de aplicar esta relación a diferentes materiales sugiere que podríamos mejorar el diseño de componentes magnéticos utilizados en sensores, memorias magnéticas y tecnologías de energía renovable. Los investigadores planean ahora explorar cómo esta ecuación se aplica a materiales con defectos paramagnéticos, especialmente en semiconductores de banda prohibida ancha, que son esenciales en electrónica de potencia.

Un nuevo camino en la física de los materiales

El descubrimiento de la ecuación de Lyddane-Sachs-Teller magnética no solo representa un avance teórico, sino que también tiene implicaciones prácticas en el desarrollo de nuevas tecnologías. Al demostrar que la interacción entre el campo magnético y la materia sigue patrones similares a los observados en el campo eléctrico, los investigadores han proporcionado una herramienta poderosa para el estudio de materiales magnéticos.

Este tipo de hallazgos muestran cómo la ciencia avanza al establecer conexiones inesperadas entre fenómenos aparentemente distintos. El magnetismo y las vibraciones cristalinas, que hasta ahora se estudiaban por separado, resultan estar profundamente entrelazados, lo que podría llevar a innovaciones en campos que van desde la computación hasta la fabricación de nuevos materiales avanzados.

Fuente: muyinteresante.com