Gracias a unas partículas llamadas fonones

No sólo hierro: los imanes también pueden controlar el calor y el sonido

Los campos magnéticos afectan a muchos materiales, pero hasta ahora no se había demostrado que influyeran a dos fenómenos en apariencia tan distintos

Foto: Abajo, un fonón impacta con el átomo central de un material sólido
Abajo, un fonón impacta con el átomo central de un material sólido

Los imanes atraen metales como el hierro y el níquel, eso es algo que todo el mundo sabe. Pero ¿afectan los campos magnéticos al calor? El sentido común podría sugerir que es imposible, pero un estudio publicado hoy en la revista Nature Materials demuestra que es cierto, y que todavía nos queda mucho que aprender sobre magnetismo.

"Hemos demostrado que se puede dirigir el calor magnéticamente, y con un campo magnético lo suficientemente fuerte también se podrían controlar las ondas de sonido", asegura el investigador de la Universidad Estatal de Ohio (EEUU) y coautor del estudio, Joseph Heremans. Y es que este experto en nanotecnología ha logrado que un campo magnético como el que puede encontrarse en un NMRI (imagen por resonancia magnética nuclear) baste para disipar el calor emitido por un semiconductor en un 12%.

Es difícil imaginar que el calor y el sonido tengan algo en común, y mucho menos que puedan verse afectados por los imanes. La clave se encuentra en los fonones, una cuasipartícula relacionada con la conductividad térmica, eléctrica y la propagación del sonido. "Cuánticamente hablando, tanto el sonido como el calor son la expresión de la misma forma de energía, por lo que cualquier cosa que controle a uno hará lo mismo con el otro", aclara Heremans.

'A nivel cuántico, el sonido y el calor son la expresión de la misma forma de energía, por lo que cualquier cosa que controle a uno hará lo mismo con el otro'

Aquí entran en juego los fonones, que hasta ahora no habían recibido demasiada atención por parte de los físicos: por primera vez se ha demostrado que presentan propiedades magnéticas. La similitud de su nombre con los fotones no es casual, pues si estos son las partículas elementales de la luz, podría decirse que los fonones lo son del calor y el sonido. "El calor no es otra cosa que la vibración de átomos, lo mismo que ocurre con el sonido", añade Heremans. En otras palabras, ambos fenómenos son muy similares a nivel cuántico.

El descubrimiento podría utilizarse para disipar el calor magnéticamente en materiales no magnéticos como el cristal y el plástico. Sin embargo, cualquier posible aplicación es (de momento) imposible. Esto es debido a que los imanes utilizados en el experimento no pueden comprarse en la ferretería de la esquina, sino que su presencia se limita a laboratorios y hospitales.

Además, para poder apreciar el movimiento de los fonones, los investigadores tuvieron que enfriar el semiconductor hasta los 268 ºC bajo cero (rozando el cero absoluto). Como puede imaginarse, medir los cambios de temperatura en estos rangos no es sencillo. Para comprobar su hipótesis, Heremans moldeó el antimoniuro de indio con la forma de un tenedor de dos brazos, uno de ellos de 4 milímetros de grosor, y el otro de 1 milímetro.

A unas temperaturas tan bajas como las del experimento, el brazo más gordo debería transmitir el calor con mayor velocidad que el más delgado. Es decir, que el brazo de 4 milímetros se calentaría más. Eso fue lo que ocurrió en ausencia de imanes, pero al exponer al semiconductor a un campo magnético, el brazo gordo disminuyó su flujo calorífico en un 12%.

¿Por qué la presencia de un campo magnético afectó a la transferencia de calor? Según Heremans, los imanes provocan la colisión de los fonones, choques que se amplifican en una especie de reacción en cadena hasta el punto de que más y más fonones son expulsados y no atraviesan el material. Y, de esta forma, el semiconductor se calienta menos.

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