Cinco cristales revelan por qué el calor se desvía en un campo magnético

Una diferencia de diez veces apunta al propio cristal

Cinco cristales del mismo material aislante transportaron el calor igual de bien a lo largo de su longitud, pero su respuesta lateral a un campo magnético difirió aproximadamente diez veces. Ese contraste es el hallazgo central de una investigación sobre el NiPS3, un cristal magnético en capas que ofrece una vía para entender un enigma de la física que se remonta a 2005: por qué el calor transportado por vibraciones eléctricamente neutras puede desviarse en un campo magnético.

La colaboración reúne a investigadores del Centro Nacional de Ciencia de Campos Magnéticos Pulsados de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, en Wuhan, y de ESPCI Paris, en Francia. Sus mediciones relacionan la respuesta térmica lateral con las propiedades magnéticas del cristal, y no con la distancia que recorren sus portadores de calor entre colisiones.

Los investigadores interpretan esa relación como evidencia de un mecanismo intrínseco, es decir, arraigado en el comportamiento magnético y vibratorio acoplado del propio material. El hallazgo ofrece a los científicos una prueba experimental para distinguir esa explicación de los mecanismos en los que las impurezas u otros centros de dispersión generan la respuesta lateral.

El artículo de investigación sobre el NiPS3, cuya segunda versión en arXiv está fechada el 1 de octubre de 2024, registra una conductividad térmica lateral máxima de aproximadamente -1,63 vatios por metro y kelvin a 25 kelvin y 14 teslas. La temperatura equivale a unos -248 grados Celsius. El signo negativo indica la dirección de la respuesta lateral según la convención de medición del experimento.

El trabajo fue anunciado en relación con su publicación en Science el 23 de octubre de 2026, hora de Pekín, lo que corresponde al 22 de octubre en la hora local, y se describió como un artículo de portada. El argumento experimental detallado ya figuraba en el manuscrito de 2024.

¿Cómo puede desviarse el calor sin carga eléctrica?

El efecto Hall eléctrico ordinario se produce cuando un campo magnético empuja lateralmente las cargas eléctricas en movimiento. Las cargas se acumulan a un lado de un conductor y generan un voltaje perpendicular a la corriente original.

El NiPS3 es un aislante eléctrico. El calor se desplaza por él principalmente como vibraciones de su red cristalina, la disposición ordenada de los átomos. Los físicos describen conjuntos de estas vibraciones como fonones, del mismo modo que describen los conjuntos de luz como fotones.

Un fonón transporta energía sin llevar una carga eléctrica neta. Por tanto, no experimenta la fuerza magnética convencional que desvía el movimiento de un electrón. Sin embargo, puede aparecer una diferencia de temperatura a través de un cristal aislante cuando el calor fluye a lo largo de él y se aplica un campo magnético perpendicular a ese flujo. Los científicos llaman a este fenómeno efecto Hall térmico de los fonones.

Las primeras pruebas experimentales aparecieron en 2005. Desde entonces, el debate central se ha centrado en el mecanismo: si la respuesta lateral surge del comportamiento colectivo del cristal o de la dispersión asimétrica cuando los fonones encuentran impurezas, defectos u otras perturbaciones. Ambas son explicaciones físicas de una señal medida, pero atribuyen su origen a procesos distintos.

Qué midieron los campos magnéticos intensos

El NiPS3 contiene níquel, fósforo y azufre. Sus átomos de níquel forman capas con estructura de panal, y sus momentos magnéticos adoptan una configuración antiferromagnética en zigzag por debajo de 155 kelvin, aproximadamente -118 grados Celsius. El antiferromagnetismo significa que los momentos se organizan en patrones opuestos, en lugar de apuntar todos en la misma dirección.

El equipo cultivó monocristales mediante transporte químico en fase de vapor y midió simultáneamente el flujo de calor a lo largo y a través de ellos, con un calentador y tres termopares. Esto permitió a los investigadores comparar la corriente de calor principal con la menor respuesta de temperatura lateral.

Las mediciones de magnetización alcanzaron los 55 teslas a 4,2 kelvin con campos magnéticos pulsados. No se observó ninguna transición magnética en ese intervalo. Las mediciones del efecto Hall térmico descritas en el manuscrito llegaron hasta 14 teslas, donde la respuesta lateral varió linealmente con el campo aplicado.

La conductividad térmica principal alcanzó un máximo de 274 vatios por metro y kelvin. Su dependencia de la temperatura fue casi idéntica con campo cero y a 14 teslas, y alcanzó su máximo a la misma temperatura que la conductividad lateral. Los investigadores identifican los fonones como los principales portadores de calor, mientras que las excitaciones magnéticas contribuyen poco a la corriente de calor principal.

Por qué fue importante comparar cinco muestras

Los cinco cristales de NiPS3 ofrecieron una comparación útil porque su transporte térmico ordinario prácticamente no variaba. Sus curvas de conductividad longitudinal coincidían, y sus capacidades caloríficas también eran similares.

En consecuencia, la longitud media libre de los fonones, es decir, la distancia promedio que recorre una vibración antes de dispersarse, era prácticamente la misma en todas las muestras. Una analogía sencilla sería la de cinco carreteras en las que el tráfico puede recorrer distancias iguales entre interrupciones.

La respuesta lateral se comportó de manera muy distinta. Su valor máximo fue aproximadamente diez veces mayor en un cristal que en otro, pese a que ambos tenían una capacidad similar para transportar calor hacia adelante. Esto permitió al equipo comparar el comportamiento magnético y mantener casi constante el transporte térmico ordinario.

Varios mecanismos de dispersión propuestos predicen que la respuesta lateral debería aumentar con la longitud media libre de los fonones. Un modelo analizado en el artículo establece que la conductividad longitudinal es proporcional a esa distancia y la conductividad transversal, a su cuadrado. En cambio, los experimentos con NiPS3 encontraron una gran variación de la conductividad transversal mientras la longitud media libre permanecía prácticamente constante.

Los autores, investigadores del transporte térmico en NiPS3, exponen su conclusión en el resumen del artículo:

«La relevancia de una propiedad termodinámica, junto con la irrelevancia de la longitud media libre, apunta a un origen intrínseco».

La dirección magnética que seguía la señal

La conductividad lateral seguía la anisotropía magnética de los cristales, es decir, el hecho de que su respuesta magnética dependiera de la dirección. La magnetización en la dirección denominada a era casi idéntica en las cinco muestras. En la dirección b, variaba aproximadamente un 30% entre las muestras con mayor y menor anisotropía.

La geminación cristalina ayuda a explicar esa variación. Un cristal geminado contiene regiones cuyas redes están rotadas unas respecto de otras. En este material, esas regiones pueden compartir un eje y, a la vez, estar rotadas 120 grados. Las distintas proporciones de cada región modifican la respuesta magnética medida en una dirección determinada.

La muestra más próxima a un cristal con una orientación dominante presentó la mayor respuesta Hall térmica. La muestra con poblaciones casi iguales de las tres orientaciones posibles presentó la menor. Por tanto, tanto la configuración magnética como la estructura cristalina eran importantes, aunque el transporte de calor hacia adelante siguiera siendo el mismo.

Las mediciones de torque aportaron otra comprobación. Estas siguieron cómo cambiaba la energía libre magnética al rotar la dirección del campo. La energía libre describe la energía disponible para un sistema bajo condiciones específicas; en este caso, su variación según la dirección mide cuánto favorece el cristal ciertas orientaciones magnéticas. Esa propiedad de equilibrio seguía la señal de calor lateral y proporcionó el argumento termodinámico del estudio.

Cómo las vibraciones podrían adquirir una respuesta magnética

La explicación microscópica propuesta involucra magnones, ondas colectivas en la disposición de los momentos magnéticos. Los fonones describen las vibraciones atómicas; los magnones, el movimiento magnético. El acoplamiento permite que ambos tipos de movimiento se influyan mutuamente.

Los investigadores compararon un espectro de fonones calculado con un espectro de magnones obtenido a partir de mediciones de dispersión de neutrones. Estos espectros muestran las energías disponibles para las ondas que se desplazan por el cristal. Varias ramas de fonones y magnones se cruzan, y el cruce identificado a menor energía se sitúa cerca de los 3,7 milielectronvoltios.

En un cruce de este tipo, el acoplamiento puede crear dos modos mixtos que contienen movimiento tanto vibratorio como magnético. El componente magnético ofrece una vía para que la excitación combinada responda a un campo, mientras que su componente vibratorio transporta calor.

Los cruces se producen a lo largo de la dirección del espacio recíproco correspondiente al eje b del cristal, lo que vincula el mecanismo propuesto con la dirección relevante en las mediciones de magnetización. Los autores también extrajeron una escala de energía de aproximadamente 1 milielectronvoltio a partir de la dependencia de la respuesta Hall con la temperatura. Presentan estas relaciones como respaldo de la hibridación entre magnones y fonones; el mecanismo microscópico detallado sigue siendo objeto de estudio.

El fósforo negro aportó una pista anterior

Un resultado relacionado apareció en Nature Communications el 23 de febrero de 2023. El estudio sobre el fósforo negro examinó un material elemental sin orden magnético, lo que permitió a los investigadores estudiar el efecto Hall térmico de los fonones en un contexto más sencillo.

Sus conductividades longitudinal y transversal alcanzaron su máximo a temperaturas casi iguales, como ocurre en el NiPS3. A 12 teslas, los ángulos Hall térmicos medidos en dos configuraciones fueron aproximadamente 0,005 y 0,0012, equivalentes al 0,5% y al 0,12%. El ángulo expresa el gradiente de temperatura lateral en relación con el gradiente de temperatura principal.

En los materiales aislantes comparados en ese artículo, una longitud característica calculada a partir de la respuesta Hall se mantuvo entre unos 2 y 7 angstroms, una escala comparable a las distancias entre átomos. Mientras tanto, las longitudes medias libres de los fonones variaron en más de tres órdenes de magnitud, es decir, por un factor superior a 1.000.

Los investigadores del fósforo negro propusieron que el acoplamiento entre ramas de vibraciones acústicas y una distribución desigual de la carga eléctrica alrededor de los enlaces podría generar una respuesta magnética. También mantuvieron abiertas las explicaciones basadas en la dispersión. El NiPS3 añade otra herramienta experimental: cinco muestras con un transporte hacia adelante casi idéntico, pero con respuestas magnéticas y transversales muy distintas.

Calentar otro cristal ayudó a distinguir el desorden del origen

Otro estudio, publicado en npj Quantum Materials el 24 de marzo de 2026, examinó cuatro cristales de titanato de estroncio de distintos proveedores. El estudio sobre el desorden y el recocido contó con la participación de Xiaokang Li, Kamran Behnia y Zengwei Zhu, quienes también formaron parte de la investigación sobre el NiPS3.

Las muestras de titanato de estroncio de mejor calidad alcanzaron ángulos Hall térmicos del 0,3% y el 0,15% a 9 teslas. Los cristales más desordenados prácticamente no produjeron señal. Calentar los cristales desordenados al aire a 1.000 grados Celsius restauró parcialmente la respuesta, que llegó aproximadamente al 0,1% a 9 teslas, y apenas modificó su conductividad térmica longitudinal.

El recocido, un calentamiento controlado seguido de enfriamiento, puede uniformar la tensión interna. Los autores señalan el desorden y la tensión desigual como factores que suprimen una respuesta intrínseca. Sus resultados muestran por qué la presencia de defectos puede ser muy importante, incluso cuando no se propone que sean el origen del efecto Hall.

El equipo también comparó contactos de pasta de plata metálica con contactos de grasa aislante en la misma muestra y obtuvo mediciones indistinguibles. Para experimentos que miden señales muy pequeñas, como ángulos inferiores al 0,02% a 10 teslas, recomendaron realizar más comprobaciones sobre posibles contribuciones de los contactos.

Una línea de investigación que se extiende de 2005 a 2026

La colaboración sobre el NiPS3 estuvo liderada por investigadores de Wuhan y París. Liang Li, director del Centro Nacional de Ciencia de Campos Magnéticos Pulsados, trabajó con Zengwei Zhu y el físico Kamran Behnia, de ESPCI Paris. El estudiante de doctorado Qingkai Meng y el investigador asociado Xiaokang Li fueron los primeros autores conjuntos.

Varios hitos fechados muestran cómo se desarrolló el argumento experimental:

• 2005: Investigadores publicaron las primeras pruebas experimentales del efecto Hall de los fonones en un cristal aislante.
• 23 de febrero de 2023: El estudio sobre el fósforo negro relacionó el efecto con las vibraciones acústicas y señaló que no había correlación con la longitud media libre de los fonones.
• 1 de octubre de 2024: Apareció en arXiv la segunda versión del manuscrito sobre el NiPS3.
• 24 de marzo de 2026: El estudio sobre el titanato de estroncio documentó los efectos del desorden, el recocido y los materiales de contacto.
• 23 de octubre de 2026, hora de Pekín: Se anunció el trabajo sobre el NiPS3 en relación con su publicación en línea en Science.

En conjunto, los experimentos dirigen la atención a la orientación magnética, las vibraciones acopladas y la tensión interna como factores que controlan el transporte lateral del calor. Para los laboratorios que intentan reproducir el efecto, medir la capacidad de un cristal para transportar calor hacia adelante es solo una parte del trabajo. También es necesario examinar de cerca su configuración magnética y estructural.

Puntos clave

• Cinco cristales de NiPS3 mostraron una variación de aproximadamente diez veces en la conductividad térmica lateral, mientras su transporte de calor longitudinal permaneció prácticamente sin cambios.
• La respuesta Hall seguía la anisotropía magnética y la energía libre magnética según la dirección, lo que respalda un origen intrínseco.
• La conductividad Hall térmica alcanzó un máximo cercano a -1,63 vatios por metro y kelvin a 25 kelvin y 14 teslas.
• Los cruces entre magnones y fonones cerca de los 3,7 milielectronvoltios ofrecen una posible vía para que las vibraciones que transportan calor respondan a campos magnéticos.
• Los experimentos con fósforo negro y titanato de estroncio también relacionan la respuesta con propiedades que van más allá de la distancia recorrida por los fonones, como el acoplamiento de vibraciones, el desorden y la tensión.