Durante décadas, los científicos reconocieron sólo dos tipos principales de imanes.
Uno de ellos es el conocido ferroimán, del tipo que se encuentra en los imanes de nevera y en numerosos dispositivos cotidianos. El otro son los antiferromagnetos, cuyas propiedades magnéticas están ocultas a nivel atómico pero han atraído un interés cada vez mayor debido a su uso potencial en tecnología avanzada.
Más recientemente, los investigadores han identificado una tercera categoría conocida como ultraimanes. Propuestos por primera vez en la última década, estos materiales podrían combinar las propiedades más útiles de los ferromagnetos y los antiferromagnetos, abriendo potencialmente la puerta a una electrónica más rápida y energéticamente más eficiente.
Ahora, físicos de la Universidad de Buffalo han propuesto un nuevo método de detección cuántica que podría facilitar la detección de ultraimanes.
El método propuesto, descrito carta de revisión físicadetectará cómo un ultraimán sospechoso afecta un pequeño defecto magnético dentro de un diamante cercano. Al observar cómo la señal magnética de la falla se relaja con el tiempo, los investigadores pueden detectar signos reveladores de ultramagnetismo.
“Este podría ser el primer componente de una nueva generación de experimentos que determinan si un material es un ultraimán”, dijo el autor correspondiente Jamir Marino, Ph.D., profesor asistente en el Departamento de Física de la Facultad de Artes y Ciencias de la UB. “Los ultraimanes podrían revolucionar completamente la forma en que transportamos información, pero para asegurarnos de que esta elegante teoría sea cierta, necesitamos experimentos que detecten los ultraimanes y los hagan comportarse como los científicos predicen”.
Los coautores del estudio incluyen al ex colega de Merino, Libor Smejkal, y a Jairo Sinova de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, los investigadores que propusieron originalmente el concepto de ultraimanes.
“Esta técnica de detección podría convertirse en una herramienta muy importante para explorar candidatos a materiales ultramagnéticos”, dijo Sinova. “Ofrece ventajas sobre las técnicas experimentales convencionales al detectar patrones magnéticos direccionales sutiles en diferentes regiones de un material sin alterarlo significativamente”.
¿Qué hace que los Ultraimanes sean diferentes?
El concepto de ultramagnetismo surgió en 2019 cuando investigadores de Maguncia encontraron un comportamiento que no podía explicarse mediante ferromagnetos o antiferromagnetos.
Sus cálculos sugirieron que el dióxido de rutenio no debería tener una magnetización general, como ocurre con los antiferromagnetos. Sin embargo, cuando se expone a una corriente eléctrica, se comporta como un ferroimán.
Ese resultado inesperado condujo al desarrollo del concepto de ultraimán.
En los imanes convencionales, los átomos y sus espines electrónicos suelen disponerse en patrones relativamente simples. En un ferroimán, los electrones vecinos giran en la misma dirección, creando un campo magnético externo. Debido a que estos espines se pueden cambiar con relativa facilidad, los ferroimanes se utilizan ampliamente para el almacenamiento de datos.
Los antiferroimanes funcionan de manera diferente. Los espines vecinos apuntan en direcciones opuestas, lo que hace que sus efectos magnéticos se cancelen entre sí. Aunque esta disposición es más difícil de controlar, puede cambiar de estado más rápidamente, lo que hace que los antiferroimanes sean atractivos para futuras tecnologías de procesamiento de información.
Los ultraimanes ocupan un término medio. Al igual que ocurre con los antiferromagnetos, su magnetismo general se cancela. Sin embargo, la disposición de los átomos dentro del material permite que los electrones se comporten de maneras típicamente asociadas con los ferromagnetos.
“Esta disposición permite a los ultraimanes combinar el rápido comportamiento de conmutación de los antiferroimanes con las propiedades electrónicas de los ferroimanes, más fácilmente controlables”, dice Marino.
Uso de defectos de diamantes para detectar magnetismo oculto
Investigadores de Maguncia y de otros lugares ya han descubierto señales experimentales de ultramagnetismo en varios materiales. Los estudios teóricos sugieren que la clase puede ser mucho mayor, con más de 200 elementos potencialmente calificados como ultraimanes. Esto sería más del doble que el de los materiales ferromagnéticos conocidos.
Para ayudar a identificar a estos candidatos, el equipo de Marino desarrolló la técnica de detección cuántica que propuso.
El método se basa en un diamante que contiene un defecto magnético microscópico formado por un átomo de nitrógeno y un átomo de carbono vecino faltante. Estas fallas son excepcionalmente sensibles a la actividad magnética cercana.
En el experimento propuesto, los investigadores rotarían el giro magnético del defecto en diferentes direcciones y medirían qué tan rápido se relaja. Si la relajación ocurre más rápidamente en ciertas direcciones que en otras, ese comportamiento puede revelar los complejos regímenes de espín predichos para los ultraimanes.
Una ventaja importante de la técnica es que será menos disruptiva que muchos métodos existentes utilizados para estudiar materiales magnéticos.
“No querrás que tus mediciones perturben fuertemente el material que estás estudiando porque puede resultar difícil saber si estás observando el comportamiento natural del material o el comportamiento causado por el experimento”, dice Marino.
Hacia una electrónica más rápida y eficiente
Marino destaca que el sistema de detección actualmente existe sólo como una propuesta teórica. El equipo lo desarrolló utilizando modelos sofisticados que simulan la dinámica cuántica, pero aún será necesaria una validación experimental antes de que los investigadores sepan si puede detectar ultraimanes de manera confiable.
“Identificar eficientemente materiales ultramagnéticos es un paso importante hacia su uso en electrónica”, dijo Marino. “Los ultraimanes harán que el transporte de información sea radicalmente más eficiente. Esto podría permitir que la tecnología crezca y consuma menos energía”.
Otros coautores incluyen a Hossein Hosseinabadi, PhD, un ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Marino que ahora es un becario posdoctoral distinguido individual en el Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Alemania y el Instituto de Ciencias VASV Bittencourt/Max Planck L de la Universidad de Estrasburgo.
El estudio fue apoyado por la Fundación Alemana de Investigación.
