- El físico checo Libor Šmejkal predijo teóricamente una nueva forma de magnetismo (altermagnetism) inspirado por una obra de arte
- Hasta ahora solo se conocían dos tipos de magnetismo: ferromagnetismo (ferromagnetism) y antiferromagnetismo (antiferromagnetism), pero ahora se confirmó experimentalmente un tercer tipo de magnetismo: los altermagnetos
- Los altermagnetos tienen un campo magnético total de 0, pero pueden inducir separación de espín electrónico (spin-splitting), lo que podría superar los límites de la tecnología de spintrónica
- De hecho, el fenómeno altermagnético ya fue demostrado experimentalmente en telururo de manganeso (MnTe), dióxido de rutenio y otros materiales, y se han propuesto teóricamente más de 200 materiales candidatos
- El equipo de investigación además predijo teóricamente una cuarta forma de magnetismo, llamada antialtermagnética (antialtermagnetic), ampliando aún más el mundo del magnetismo
Historia y desarrollo del magnetismo
- El magnetismo se conoce desde la Antigua Grecia y hoy se usa en tecnologías clave como generadores, smartphones y escáneres hospitalarios
- La concepción clásica del magnetismo incluía dos tipos: ferromagnetismo (estructura en la que todos los espines apuntan en la misma dirección y generan fuerza magnética) y antiferromagnetismo (estructura en la que las direcciones de espín se cancelan y no hay magnetismo aparente)
- En 2022, Šmejkal teorizó el estado “altermagnético” a partir de fenómenos que no podían explicarse con ese modelo
La idea de Šmejkal y la simetría de Escher
- Reinterpretó la simetría magnética inspirado por los patrones simétricos repetitivos visibles en la obra Horseman de M.C. Escher
- De forma similar a los antiferromagnetos convencionales, los espines alternan su dirección, pero aparecen momentos magnéticos orientados con una rotación de 90 grados, lo que produce como resultado el fenómeno de separación de espín
- Gracias a esto, se vuelve posible la separación bidireccional del espín electrónico incluso en estructuras donde tradicionalmente era imposible
Verificación experimental de los altermagnetos
- En 2024, el equipo de Juraj Krempaský del instituto suizo PSI observó el fenómeno altermagnético en telururo de manganeso (MnTe)
- Al rastrear el movimiento de los electrones, encontraron una alta concordancia con la teoría de Šmejkal
- Después, también se confirmó la posibilidad de altermagnetismo en dióxido de rutenio y otros materiales
Spintrónica y el potencial de los altermagnetos
- La spintrónica (spintronics) es una tecnología de próxima generación que usa el espín electrónico para almacenar y procesar información
- Hasta ahora, solo los ferromagnetos podían proporcionar separación de espín, lo que imponía límites a la miniaturización y la integración
- Los altermagnetos combinan propiedades ideales: magnetismo total cero pero con capacidad de separación de espín, sin interferencias, bajo consumo energético y potencial de miniaturización
Desarrollo de nuevos materiales y posibilidades de comercialización
- El estado altermagnético puede inducirse en antiferromagnetos existentes aplicando compresión mecánica (compressive strain) o perturbando la simetría con una estructura sándwich de materiales heterogéneos (sandwich structure)
- Ejemplos: rhenium dioxide bajo compresión y antiferromagnetos en capas fabricados en estructuras multicapa
- Sin embargo, estos métodos artificiales podrían tener poca viabilidad práctica, por lo que resulta más prometedora la búsqueda de materiales naturalmente altermagnéticos en la naturaleza
- El equipo de Šmejkal derivó teóricamente más de 200 materiales candidatos
El siguiente paso hacia la comercialización
- El equipo de Oliver Amin demostró que la estructura magnética de MnTe puede controlarse mediante calentamiento y enfriamiento
- Esto se considera una etapa inicial hacia la implementación de materiales prácticos para spintrónica
- MnTe es un material estudiado desde hace más de 20 años y resulta ventajoso para síntesis de alta pureza y experimentación
La cuarta forma de magnetismo: antialtermagnetismo (Antialtermagnetism)
- Šmejkal fue más allá de los altermagnetos y teorizó los antialtermagnetos, con una estructura simétrica de espines en zigzag
- Aunque el magnetismo total es nulo porque los espines electrónicos están dispuestos simétricamente, esta estructura altera la trayectoria de movimiento de los electrones y provoca separación de espín
- El artículo aún está en etapa previa a la revisión por pares, pero sugiere la posibilidad de nuevos fenómenos magnéticos
Conclusión
- El descubrimiento de los altermagnetos representa un punto de inflexión clave que amplía el concepto de magnetismo y puede acelerar la aplicación práctica de la spintrónica
- Es muy posible que en la próxima década esto conduzca a nuevos materiales comercializables, y la investigación avanza con rapidez
- Este trabajo, que comenzó con la simetría de Escher, destaca como un caso representativo del encuentro entre arte, matemáticas y física
1 comentarios
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Según entiendo, la verdadera ventaja de esta tecnología sería el almacenamiento magnético de estado sólido
Los dispositivos de almacenamiento magnético actuales generan campos magnéticos, pero este nuevo material altermagnético responde a campos magnéticos externos sin generar un campo magnético propio
Por eso se pueden colocar dispositivos de manera muy densa, sin preocuparse por la interferencia
La idea es leer los bits 0 y 1 con pulsos eléctricos débiles, y cambiar el bit con pulsos más fuertes
Como lo que se invierte son los propios átomos, no se destruye la estructura ni se inyecta carga, así que se estima que tendría una larga vida útil y ciclos de lectura/escritura casi infinitos
Se considera compatible con los procesos normales de fabricación de silicio
Aun así, el punto técnico clave será qué tan juntas se pueden colocar las estructuras de lectura
La explicación de detectar el estado del bit con pulsos eléctricos débiles y cambiarlo con pulsos fuertes realmente resume el punto de forma excelente
Me impresionó cómo lo condensó perfectamente en una sola frase, con una intuición al estilo de Feynman
Si existiera este tipo de almacenamiento, creo que no solo mejoraría la memoria de estado sólido, sino también la resolución y la inmunidad al ruido en toda clase de sensores industriales basados en el Hall effect
De hecho, este artículo también muestra que incluso los materiales magnéticos "normales" existentes pueden cambiar la dirección del campo magnético
La sección "Confirming that altermagnets exist" del artículo explica bien los usos prácticos
Tradicionalmente, el almacenamiento de información de alta densidad basado en espín solo ha usado materiales donde los espines se alinean de forma natural, normalmente ferromagnetos
El problema es que los ferromagnetos vienen acompañados de enormes campos magnéticos, lo que se vuelve un gran obstáculo para su uso real
Los nuevos altermagnetos tienen los espines bien ordenados, pero a nivel de cada átomo