Descubren una nueva fuerza natural con propiedades desconocidas

Un equipo de científicos ha descubierto un nuevo tipo de magnetismo con propiedades desconocidas hasta ahora. Lleva por nombre altermagnetismo y puede usarse para desarrollar nuevas tecnologías como sensores más eficientes y precisos, memorias ultrarápidas para teléfonos o supercomputadoras o evitar los errores de la nueva generación de ordenadores cuánticos.

El magnetismo es una fuerza fundamental de la naturaleza que provoca la atracción o repulsión entre ciertos materiales. Los usos que le damos van desde los pequeños imanes que pegan los dibujos de nuestros hijos en la nevera hasta los poderosos electroimanes que contienen el plasma en los reactores de fusión nuclear o que impulsan a las partículas de los aceleradores a velocidades que rozan la de la luz.

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Jesús Díaz

Un nuevo tipo de magnetismo

Durante siglos, hemos conocido dos tipos principales magnetismo: el ferromagnético, como el que tienen los imanes que se pegan a la nevera, y el antiferromagnético. Las diferencias entre ambos están en sus espines electrónicos (momentos magnéticos). Estos espines se refieren al momento angular intrínseco de un electrón, una propiedad fundamental de los electrones que es similar al giro de una pelota.

El espín de un electrón crea un campo magnético diminuto y la alineación de los espines de muchos electrones determina las propiedades magnéticas generales de un material. En el caso del magnetismo ferromagnético, sus espines son similares a flechas que apuntan todas en la misma dirección. Sin embargo, en los antiferromagnéticos esas flechas alternan su dirección y se cancelan entre sí, lo que hace que estos materiales no posean magnetización neta macroscópica, es decir, que no se peguen al frigorífico.

Ahora, un equipo de investigadores del Swiss Light Source —en colaboración con el Instituto Paul Scherrer, también en Suiza, y la Academia Checa de Ciencias— han descubierto una tercera forma de magnetismo: el altermagnetismo. Este hallazgo está explicado en un reciente artículo publicado en la revista Nature.

"El altermagnetismo no es en realidad algo enormemente complicado. Es algo totalmente fundamental que estuvo ante nuestros ojos durante décadas sin darnos cuenta", afirma Tomáš Jungwirth, del Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias e investigador principal del estudio. "Y no es algo que exista solo en unos pocos materiales raros. Existe en muchos cristales que la gente guarda en sus cajones. En ese sentido, ahora que lo hemos sacado a la luz, mucha gente de todo el mundo podrá trabajar en él, lo que le dará un amplio potencial de repercusión".

Cómo fue el descubrimiento

El hallazgo se hizo analizando cristales de telururo de manganeso, un conocido material que se ha considerado tradicionalmente un antiferromagneto. Sin embargo, el equipo descubrió que el material presenta el desdoblamiento de las bandas electrónicas correspondientes a diferentes estados de espín —un fenómeno conocido como el levantamiento de la degeneración de espín de Kramers—, algo que no sucede en los antiferromagnéticos.

Según explican los investigadores, los altermagnetos presentan una combinación especial en la disposición de sus espines y sus simetrías cristalinas. Los espines se alternan, como en los antiferromagnetos, por lo que no hay magnetización neta, pero, en lugar de anularse, las simetrías dan lugar a una estructura de bandas electrónicas con una fuerte polarización de espín que cambia de dirección al pasar por las bandas de energía del material.

"Gracias a la gran precisión y sensibilidad de nuestras mediciones, pudimos detectar el desdoblamiento alterno característico de los niveles de energía correspondientes a estados de espín opuestos y demostrar así que el telururo de manganeso no es ni un antiferromagneto ni un ferromagneto convencionales, sino que pertenece a la nueva rama altermagnética de los materiales magnéticos", afirma Juraj Krempasky, científico del Grupo de Óptica de la Línea de Luz del Instituto Paul Scherrer y otro de los autores del estudio.

Propiedades nunca vistas

El resultado de esta peculiar configuración, dice el equipo, es más parecido a las propiedades de los ferromagnetos, aunque también presenta otras nunca vistas. A diferencia de la carga eléctrica, que solo puede tener dos valores (positiva o negativa), el espín puede tener dos valores más (+1/2 y -1/2) que se conocen como "espín arriba" y "espín abajo".

Gracias a estas propiedades, explican los investigadores, los altermagnetos pueden ser claves en desarrollo de una nueva tecnología conocida como espintrónica, que aprovecha el estado de espín de los electrones para transportar información.

Esto permite crear dispositivos con nuevas funcionalidades, como nuevas memorias magnéticas, más rápidas y eficientes que las actuales, nuevos sensores más precisos para detectar mejor el mundo que nos rodea o la creación de bits sin errores que pueden acelerar la llegada de la nueva generación de ordenadores cuánticos.

"Ésa es la magia de los altermagnetos", afirma Jungwirth. "Algo que la gente creía imposible hasta que recientes predicciones teóricas [demostraron que] es de hecho posible".