Los sólidos pueden parecer inmóviles a simple vista, sin embargo, a escala microscópica, su interior se encuentra en un constante vaivén. Los átomos que conforman estas estructuras vibran dentro de una red cristalina, un fenómeno que se puede describir mediante fonones, que son cuasipartículas encargadas de transportar energía térmica y sonora en los materiales. Durante mucho tiempo, la investigación se centró en estos fonones como simples portadores de calor o sonido, pero recientes estudios han comenzado a destapar propiedades complejas que son especialmente relevantes en materiales cuánticos, donde distintas excitaciones se interfieren entre sí. Un nuevo trabajo experimental, publicado recientemente, ahonda en la interacción entre las vibraciones de la red y el magnetismo, utilizando espectroscopía de neutrones para investigar un material cristalino ferrimagnético, revelando así cómo las vibraciones atómicas y los fenómenos magnéticos pueden coexistir en un mismo sistema.
La utilización de fonones quirales ha abierto un nuevo campo de estudio en la física del estado sólido. Mientras que un fonón describe una vibración colectiva de átomos dentro de un cristal, las trayectorias de los átomos durante estas vibraciones pueden no ser siempre lineales. En algunos casos, los movimientos de los átomos son circulares o helicoidales, conferiendo a los fonones una propiedad conocida como quiralidad. Este fenómeno, descrito en el artículo científico, implica que los fonones quirales son modos vibracionales y que pueden resultar en un momento magnético debido a la acción rotacional de los iones cargados. Aunque en muchos materiales este efecto es sutil, puede magnificar su influencia bajo condiciones específicas, especialmente en sistemas donde hay un fuerte acoplamiento entre vibraciones y propiedades magnéticas.
Tradicionalmente, la investigación de fonones quirales se había limitado a técnicas ópticas, lo que ofrecía información incompleta sobre las variaciones de energía y momento de estos modos vibracionales dentro del cristal. Para abordar esta limitación, el nuevo estudio empleó la dispersión inelástica de neutrones, una herramienta que permite un análisis simultáneo de las vibraciones de átomos y de señales magnéticas. Esta técnica, tal como indican los autores del estudio, ofrece acceso a cruciales secciones de dispersión nuclear y magnética, facilitando la detección no solo de las oscilaciones atómicas, sino también de cualquier señal magnética que pueda asociarse a ellas.
El material estudiado, el compuesto Fe₁.₇₅Zn₀.₂₅Mo₃O₈, es especialmente adecuado para investigar la interacción entre magnetismo y vibraciones, dado que presenta un estado ferrimagnético por debajo de 49 kelvin. Los investigadores, utilizando este nuevo enfoque, lograron detectar excitaciones fundamentales como magnones, fonones y modos híbridos, los magnon-polaron. Al observar los fonones de baja energía, hallaron que ciertos modos vibracionales contribuían al magnetismo del sistema, revelando un acoplamiento entre excitaciones magnéticas y fonones que se desvanecía al elevar la temperatura, lo cual demuestra la importancia del orden magnético en este contexto.
Uno de los hallazgos más fascinantes fue la división de fonones en estado magnético, que ocurrió al observar modos vibracionales en una región específica del espectro. Este fenómeno indica que, al entrar en un estado ferrimagnético, la simetría del sistema se rompe, resultado en dos ramas de fonones quirales con helicidades opuestas. Este cambio energético, que desaparece al elevar la temperatura, sugiere que los fonones quirales tienen un papel activo en fenómenos magnéticos. Así, estos resultados no solo revelan la interconexión entre vibraciones y magnetismo, sino que también establecen un camino para diseñar materiales que modifiquen el transporte térmico y excitaciones magnéticas mediante el control de sus propios fonones.