Una nueva forma de magnetismo podría crear dispositivos de memoria más potentes
Se podría decir que ha puesto patas arriba la física fundamental.
Hay una forma más de comportarse de los momentos magnéticos de los átomos dentro de objetos sólidos de lo que creíamos anteriormente.
Crédito de la imagen: ORNL/Jill Hemman vía Flickr (CC BY 2.0)
Hay tres tipos de magnetismo, no dos, según revela una nueva investigación, y el nuevo podría tener mucha demanda.
Para los primeros usuarios de brújulas, los imanes debieron parecer una forma de magia. Justo cuando empezábamos a pensar que habíamos comprendido la forma tradicional, conocida como ferromagnetismo, se descubrió una nueva, el antiferromagnetismo. Ahora parece que nuestras descripciones de esto también son inadecuadas con la prueba de un tercer tipo, el altermagnetismo. Cuando se les preguntó: “Imanes, ¿cómo funcionan? “Los científicos no han mentido, pero sus respuestas han sido incompletas.
El magnetismo, cuando no es causado por corrientes eléctricas a gran escala o campos cambiantes, es el resultado de los espines de los electrones. Aquí el giro no significa literalmente que los electrones giran como planetas, sino que se refiere al comportamiento subatómico al que se le da el mismo nombre. Los electrones en órbita tienen momentos magnéticos causados por sus espines, pero estos suelen estar dispuestos al azar. Con una cantidad inimaginablemente enorme de electrones incluso en un elemento pequeño, todo se anula o se acerca tanto que no importa.
Sin embargo, en casos raros, los momentos magnéticos se alinean lo suficiente como para producir un campo magnético a gran escala. Esto sólo es posible en unos pocos elementos, el más famoso es el hierro, pero cuando sucede permite la familiar atracción de la piedra imán hacia el polo norte (magnético) o del imán hacia el refrigerador.
Los antiferroimanes, descubiertos en 1933, normalmente requieren temperaturas bajas e implican patrones en los que los átomos tienen espines magnéticos opuestos a los de sus vecinos. Sin un campo magnético externo, los antiferroimanes se comportan como cualquier otro material. Sin embargo, cuando se exponen a uno, los momentos magnéticos de los átomos se alinean en la dirección opuesta a sus vecinos, en lugar de hacerlo aleatoriamente o en una dirección común como los ferromagnetos. Esto no conduce a una contribución neta del material al campo, pero puede provocar cambios bruscos en la conductividad en diversas circunstancias, lo que puede tener aplicaciones.
Si los materiales pueden seguir las órdenes de los campos magnéticos, rechazarlos alternando direcciones o ignorarlos por completo, ¿qué más nos queda?
Sorprendentemente, los alterimanes proporcionan una respuesta. A primera vista, los alterimanes parecen ser simplemente otra forma de antiferromagnetos. Sus giros internos también toman la dirección opuesta a la de los vecinos, sin producir ningún efecto neto. Los patrones se repiten mediante simetría rotacional en lugar de simetría traslacional, lo que significa que en lugar de que los átomos vecinos se cancelen entre sí, crean una polarización de espín que puede conducir a bandas alternas.
Las propiedades resultantes pueden proporcionar un punto medio entre los dos tipos de imanes previamente conocidos y pueden resultar muy útiles para hacer grabadores de memoria magnética mucho más potentes que los que existen.
Esto ocurriría mediante lo que se conoce como espintrónica: utilizar los estados de espín de los electrones, así como sus cargas, para transportar información. Se ha trabajado en la espintrónica, y en ocasiones se ha promocionado, durante años, utilizando ferromagnetos. Sin embargo, el magnetismo masivo que proporcionan los ferromagnetos dificulta la ampliación de los dispositivos espintrónicos, ya que el campo magnético masivo interfiere con el giro de sus propios componentes y los de sus vecinos. Los antiferroimanes evitan esto, pero su falta de efectos dependientes del espín impide parte del comportamiento buscado.
Las teorías que proponen alterimanes llevaron a los físicos a preguntarse si podrían representar la zona Ricitos de Oro de la espintrónica y a buscar confirmación de que sí existen.
Ahora que se ha encontrado la confirmación, algunos están lo suficientemente emocionados como para usar una palabra con M diferente. "Ésa es la magia de los alterimanes", dijo en un comunicado el profesor Tomáš Jungwirth de la Academia Checa de Ciencias. “Algo que la gente creía imposible hasta que se hicieron predicciones teóricas recientes, de hecho es posible. "
En 2019, Jungwirth ayudó a identificar una clase de materiales magnéticos que no encajaban en las categorías existentes y que transportaban corrientes eléctricas internas sin un campo magnético externo. Tres años más tarde formó parte de un equipo que reveló más de 200 candidatos para el altermagnetismo en diversas clases de materiales. Sin embargo, entre la sospecha y la prueba hay un gran desfase y en aquel momento faltaba la confirmación del altermagnetismo.
Sin embargo, después de bañar cristales de telururo de manganeso, anteriormente considerado un antiferroimán, en rayos X, Jungwirth y sus coautores han anunciado que consiste en bandas electrónicas con estados de espín alternos, la característica clave de un alterimán.
Técnicamente, los rayos X revelaron que el telururo de manganeso muestra una "degeneración del espín de Kramers elevado" según el orden magnético. A pesar de que suena como el ritual de levitación de un culto pseudomedieval, en realidad se trata de una característica muy estudiada de los ferromagnetos que se anticipó en los alterimanes, pero que no ocurre en los antiferromagnetos.
Más allá de mejorar nuestra comprensión del magnetismo y las posibles aplicaciones que podría tener, Jungwirth y sus colegas creen que su trabajo podría proporcionar nuevos conocimientos sobre la superconductividad.
"En realidad, el altermagnetismo no es algo muy complicado. Es algo completamente fundamental que estuvo ante nuestros ojos durante décadas sin darnos cuenta", dice Jungwirth. "Y no es algo que exista sólo en unos pocos materiales oscuros. Existe en muchos cristales que la gente simplemente tenía en sus cajones. En ese sentido, ahora que lo hemos sacado a la luz, muchas personas en todo el mundo podrán trabajar en él, dándole el potencial de un impacto amplio”.
El estudio se publica en acceso abierto en Nature.