Artículo publicado por Hamish Johnston el 5 de agosto de 2015 en physicsworld.com
Finas capas de dos metales no magnéticos, cobre y manganeso, se transforman en imanes cuando se hallan en contacto con moléculas de buckminsterfullerenos. Este descubrimiento, realizado por físicos del Reino Unido, Estados Unidos, y Suiza, podría llevar a nuevos tipos de dispositivos electrónicos, o incluso computadores cuánticos.
Los ferroimanes, tan familiares como los imanes del frigorífico, son materiales que tienen momentos magnéticos permanentes. Sólo existen tres metales que sean ferromagnéticos a temperatura ambiente, el hierro, el níquel, y el cobalto, y esto se explica en términos del “Criterio de Stoner”, derivado por primera vez en 1938 en la Universidad de Leeds por Edmund Stoner.
La presencia de buckmisterfullerenos hace que la superficie del cobre sea ferromagnética. Crédito: Universidad de Leeds
Stoner sabía que el magnetismo en los metales es una propiedad de los electrones de conducción. Estos electrones están sujetos a la interacción de intercambio que les permite reducir su energía alineando el espín de sus momentos magnéticos en la misma dirección y sentido, creando de este modo un metal ferromagnético. Sin embargo, tener espines que apuntan en la misma dirección y sentido, incrementa la energía cinética global de los electrones. Stoner observó que el ferromagnetismo sólo aparecía cuando la reducción de la energía producida por el intercambio era superior a la ganancia en energía cinética. Cuantitativamente, demostró que esto sucedía cuando el producto de la densidad de estados electrónicos (DOS), el número de estados de energía disponibles para los electrones, y la fuerza de la interacción de intercambio (denotada como U) es mayor que uno.
Dando un impulso a la U
U es lo que se conoce como Criterio de Stoner, y es mayor que uno para el hierro, níquel y cobalto, pero no para sus vecinos en la tabla periódica, el manganeso y el cobre. Ahora, un equipo internacional liderado por Fatma Al Ma’Mari y Tim Moorsom, de la Universidad de Leeds, en el Reino Unido, ha encontrado una forma de aumentar el DOS y la interacción de intercambio en el cobre y el manganeso, de forma que sean ferromagnéticos a temperatura ambiente.
El equipo creó sus muestras depositando varias capas alternas de C60 y cobre (o manganeso) sobre un sustrato. Las capas de cobre tenían aproximadamente 2,5 nm de grosor y las de C60 unos 15 nm. El C60 se usa debido a que tiene una gran afinidad electrónica, lo que significa que cada molécula aceptará tres electrones de conducción del cobre. Se esperaba que esto aumentase tanto el DOS como la fuerza de la interacción de intercambio en el cobre.
El equipo midió entonces la magnetización de las muestras y encontró que eran materiales ferromagnéticos. Los investigadores también observaron las muestras en las que las capas de cobre y C60 estaban separadas por capas de aluminio, y no hallaron pruebas de magnetismo, lo que sugiere que el ferromagnetismo aparece en las interconexiones entre el cobre y el C60. Esto se vio respaldado por experimentos que usaban muones, sensibles a la profundidad, y demostraron que el ferromagnetismo aparece en el cobre, cerca de la interconexión con el C60. El equipo también encontró ferromagnetismo a temperatura ambiente en capas de C60/manganeso, pero con una magnetización más débil.
Campo crítico
Sorprendentemente, cuando los investigadores calcularon U para las muestras de cobre, encontraron que era menor de uno. En otras palabras, las muestras no deberían haber sido ferromagnéticas, de acuerdo con el Criterio de Stoner. Sin embargo, posteriores investigaciones teóricas sugirieron que las muestras deberían convertirse en ferromagnéticas cuando se exponen a un campo magnético relativamente pequeño, algo que habría sucedido durante la preparación de las muestras. Esto apunta a que otros metales no magnéticos podrían convertirse en ferromagnéticos aumentando U, pero no necesariamente hasta un valor superior a uno.
Aunque se necesita más trabajo para aumentar la fuerza de los imanes de cobre y manganeso, la investigación podría dar como resultado el desarrollo de nuevos tipos de diminutos componentes magnéticos. Estos podrían usarse en dispositivos espintrónicos, que usan el espín del electrón para almacenar y procesar información, o incluso en computadores cuánticos, en los que se usa el espín del electrón como bit cuántico de información.
La investigación se detalla en Nature.
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