El campo eléctrico invierte la quiralidad del fonón y la dirección del espín en el cristal ferroeléctrico

Un equipo internacional de investigadores ha demostrado que un campo eléctrico puede revertir tanto la quiralidad como la dirección de espín de los fonones en un cristal ferroeléctrico, marcando un gran avance en la espintrónica. El estudio, realizado utilizando sulfato de triglicina (TGS), un cristal molecular ferroeléctrico, muestra que la aplicación de un campo eléctrico durante la fase ferroeléctrica permite el control activo de la quiralidad de los fonones y la dirección de espín asociada. Este hallazgo podría allanar el camino para el desarrollo de dispositivos espintrónicos más rápidos y más eficientes en energía. El experimento involucró el enfriamiento de TGS en su fase ferroeléctrica, donde los dipolos se alinean para producir una polarización espontánea.

Los investigadores aplicaron entonces un campo eléctrico, haciendo que los momentos dipolo se alinearan en una dirección particular. Esta alineación les permitió cambiar las direcciones polares y quirales del cristal, controlando efectivamente la quiralidad de los fonones. El proceso fue monitoreado utilizando el efecto Kerr magneto-óptico de resolución temporal (TR-MOKE), lo que permitió a los investigadores medir la dirección de polarización de espín y observar cómo cambió en respuesta a la inversión de la quiralidad. A medida que se aplicaba el campo eléctrico, la polarización y la quiralidad de TGS se sometieron a un interruptor, que a su vez influyó en la dirección de giro de los fonones.

Según Xiaotong Li, profesor asistente de química en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y coautor correspondiente del estudio, los hallazgos demuestran que la ferroelectricidad controla la quiralidad estructural, que a su vez activa los fonones quirales bajo el flujo de calor.

Cuando TGS transiciona entre sus estados ferroeléctricos, los modos clave de fonones de glicina invierten su movimiento circular, ofreciendo una vista microscópica detallada de la quiralidad de los fonones conmutables. Yi Xia, profesor asistente de ingeniería mecánica y de materiales en la Universidad Estatal de Portland y coautor correspondiente del trabajo, señaló que estas simulaciones apoyan los resultados experimentales y brindan información sobre la física fundamental en juego. Xiang-Bin Han, investigador postdoctoral en el grupo Li en NC State y coautor del estudio, enfatizó las implicaciones prácticas del descubrimiento.

Explicó que la capacidad de controlar la dirección de espín a través de un campo eléctrico, en lugar de depender de campos magnéticos externos u otros mecanismos complejos, podría simplificar el diseño de dispositivos espintrónicos.

Al demostrar el control eléctrico directo de la quiralidad y el espín de los fonones, los investigadores han abierto nuevas posibilidades para el desarrollo de dispositivos electrónicos de próxima generación que funcionen con mayor velocidad y menor consumo de energía.