A diferencia de lo que sugiere cierta empresa de donas, el mundo en realidad funciona gracias al magnetismo.
Es esencial para generar energía, construir vehículos (eléctricos) e impulsar tecnologías médicas que salvan vidas, como corazones de titanio estilo cyberpunk con rotores levitantes.
El magnetismo se presenta en múltiples variaciones, pero dos son identificables instantáneamente.
En el ferromagnetismo, los momentos magnéticos (campos diminutos) de las partículas constituyentes de un material se alinean en una dirección determinada para crear un campo magnético más grande: la clásica configuración de polo norte y sur de un imán de nevera. Pero esto genera campos perdidos que pueden interferir con los chips de computadora y otros dispositivos electrónicos.
En el antiferromagnetismo, los momentos magnéticos apuntan en direcciones opuestas y se cancelan, por lo que no existe ningún polo norte o sur en general. Esto aplasta los campos perdidos pero también las propiedades atractivas que (literal y figurativamente) pueden hacer que un material sea útil.
Si tal vez se pudiera combinar lo mejor de ambos mundos en, digamos, un material versátil pero delgado, podría resultar prominente en un mundo de tecnologías electromagnéticas cada vez más reducidas.
Sorprendentemente, los científicos han informado que han hecho precisamente eso: lograr la primera evidencia experimental de altermagnetismo (un tipo de magnetismo recientemente confirmado) en un material tipo sándwich con numerosas aplicaciones futuras.
En un artículo publicado en la revista Nature Communications, un equipo de físicos creó cristales de un material llamado Co₁/₄TaSe₂. Esto suena increíblemente abstruso, pero sólo comprende tres elementos: cobalto, tantalio y selenio (y sus proporciones).
Combinarlos de una manera experimentalmente útil requirió “hornearlos” a más de 900 grados Celsius (1700 grados Fahrenheit) durante dos semanas.
“Estos materiales se distinguen de los antiferroimanes más convencionales por su capacidad para generar y detectar corrientes de espín sin el efecto negativo de producir campos perdidos”, explica Madhab Neupane, profesor de física en la Universidad de Florida Central (UCF) y autor correspondiente del estudio.
“Esta nueva propiedad los coloca muy bien posicionados para su uso en muchas aplicaciones diferentes, incluida la espintrónica, dispositivos de memoria ultrarrápidos, redes de terahercios y electrónica de bajo consumo”.
El material Co₁/₄TaSe₂, que no es nuevo para la ciencia, está hecho de capas compuestas de tantalio metálico y selenio no metálico.
Entre estas capas, los investigadores esparcieron átomos del metal magnético cobalto, para crear estructuralmente una jungla cuántica que podría alterar los electrones a medida que la atraviesan.
Para confirmar el altermagnetismo, los investigadores utilizaron un método de modelado cuántico y espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES).
Este último básicamente golpea un material con un haz de luz, lo que hace que expulse un electrón para que los científicos puedan determinar su energía y su dirección.
De este modo, revelaron la estructura de bandas energéticas del material, un mapa de dónde pueden y no pueden existir sus electrones.
Al hacerlo, notaron que estaba dividido y que los estados divididos llevaban polarizaciones de espín opuestas, que se refieren a cómo el espín de una partícula elemental está alineado en una dirección determinada; convenientemente, las partículas sólo pueden girar “hacia arriba” o “abajo”.
Por supuesto, los electrones en realidad no giran, como lo hace la Tierra sobre su eje o un sándwich de siete capas gira en la garra de Scooby-Doo antes de ser devorado. En cambio, es más un momento angular definido matemáticamente.
Pero es una propiedad cuántica esencial y, lo que es más importante, los investigadores demostraron que el material Co₁/₄TaSe₂ divide los electrones según su espín.
Esto es vital en el contexto de los dos tipos magnéticos mencionados anteriormente.
El ferromagnetismo es bueno para dividir espines, porque sus momentos magnéticos apuntan en la misma dirección, pero produce campos dispersos.
El antiferromagnetismo no produce campos parásitos, pero no es un buen divisor de espín porque sus momentos magnéticos apuntan en direcciones opuestas.
Esta combinación de cualidades puede hacer de este material fácilmente sintonizable un medio magnífico para investigar misterios magnéticos:
“La evidencia del altermagnetismo en una plataforma de materiales versátil abre muchas posibilidades nuevas”, señala Milo Sprague, físico cuántico experimental de la UCF y autor principal del estudio.
“Actualmente hay mucho debate en la teoría altermagnetica sobre cómo los estados electrónicos polarizados por espín interactúan con otros fenómenos magnéticos. Ahora tenemos un material que podemos modificar fácilmente para explorar estas nuevas preguntas”, añade Sprague.
Por ejemplo, los orígenes del altermagnetismo son ostensibles. Se requiere más investigación para ver cómo se elevan sobre otras formas de magnetismo, a medida que las interacciones de los electrones compiten entre sí.
Finalmente, en términos prácticos, mientras que el hardware moderno puede transportar físicamente electrones para procesar datos, la espintrónica emergente podría manipular datos transfiriendo los estados de espín de los electrones a través de una “corriente” (como la onda de un estadio de fútbol) para aumentar el almacenamiento de datos y al mismo tiempo reducir las probabilidades de espionaje.
Gracias a la versatilidad y la pequeña escala de estos materiales en capas descritos recientemente, nuestro destino tecnológico puede ser minúsculo y tener forma de sándwich.
¿Pero por qué no? Los sándwiches nunca nos habían fallado antes.
Como expone Neupane: “Si este enfoque resulta viable, entonces los alterimanes en capas estarán a la vanguardia del desarrollo de la electrónica”.
La investigación ha sido publicada en Nature Communications.
Este artículo fue verificado por Fiona MacDonald y editado por Fiona MacDonald. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.