Sociedad

Logran crear un imán considerado imposible hace cincuenta años

El imán de Nagaoka solo existía sobre el papel, ya que era imposible de fabricar. Ahora por fin podemos hacerlo.

Los imanes que ponemos en la nevera son ferromágneticos, un tipo de magnetismo que no entendemos del todo.
Los imanes que ponemos en la nevera son ferromágneticos, un tipo de magnetismo que no entendemos del todo.Jason Leung (nombre del dueño)

El magnetismo es lo más parecido a la magia que podemos encontrar en la naturaleza. Los imanes capaces de atraerse gracias a una fuerza invisible han fascinado e intrigado a la humanidad desde la antigua Grecia hasta nuestros días.

Pero a pesar de conocer su existencia desde hace milenios, todavía tenemos ciertas dudas sobre su funcionamiento. El magnetismo ha recibido diferentes explicaciones históricas, y en la actualidad sabemos que es un fenómeno íntimamente relacionado con la química cuántica. El único problema de la explicación actual es que realmente es teórica, si queremos demostrarlo con un experimento tendríamos que construir un imán considerado imposible… hasta ahora.

Lo (poco) que sabemos de los imanes

Existen diferentes tipos de materiales magnéticos, pero el más habitual es el grupo de los ferromagnéticos, entre los que se incluyen el hierro o el cobalto. Entre los compuestos ferromagnéticos hay tanto imanes como metales que pueden ser fácilmente imantados si se les aplica una corriente eléctrica o se les acerca otro imán más potente. Es el grupo de imanes más frecuentes debido a la abundancia de estos materiales, y normalmente los puede ver en juguetes infantiles o imanes de nevera.

Los metales ferromagnéticos poseen un campo magnético gracias a los electrones, pequeñas partículas de carga negativa que se mueven alrededor del núcleo de los átomos como un enjambre de abejas furiosas.

Esquema simplificado de un átomo. En el nucleo hay varios componentes que dependerán de la naturaleza del átomo.
Esquema simplificado de un átomo. En el núcleo hay varios componentes que dependerán de la naturaleza del átomo.Propio

Normalmente los electrones permanecen cerca del núcleo y solo algunos de ellos tienen cierta libertad para generar enlaces químicos con otros átomos cercanos. Pero en los metales los átomos forman una comunidad, y ceden una proporción de electrones para que queden libres entre los núcleos de los átomos, creando un mar de electrones compartidos por todos los núcleos, pero sin llegar a pertenecer a uno en concreto.

Esquema de la distribución de los átomos al formar un metal. Los electrones se reparten entre todos los núcleos.
Esquema de la distribución de los átomos al formar un metal. Los electrones se reparten entre todos los núcleos.Propio

Estos electrones comunitarios tienen mucha más libertad de movimiento que cuando están confinados alrededor de un único átomo, y eso explica algunas de las propiedades de los metales. Por ejemplo, los metales conducen la electricidad porque la corriente eléctrica es literalmente el propio movimiento de los electrones a lo largo del metal, que avanzan esquivando los núcleos como en una pequeña carrera de obstáculos.

Además de desplazarse por el metal, los electrones tienen una propiedad llamada espín, habitualmente interpretada como su rotación, y que explica el campo magnético. El electrón siempre forma un pequeño imán, y el espín indica la orientación del mismo. De este modo, un electrón con espín positivo y un electrón con espín negativo forman imanes opuestos y se cancelan entre sí.

En los metales no magnéticos, los electrones libres cambian de espín con cierta libertad, pero en los ferroimanes todos los electrones están sincronizados y tienen el mismo espín. Esto hace que los campos magnéticos de cada electrón se sumen hasta lograr un campo tan fuerte como para sujetar el imán en la puerta de la nevera.

Comparativa de los espines en los electrones de un iman y un metal no imantado. En el imán todos los electrones tienen el mismo espín.
Comparativa de los espines en los electrones de un imán y un metal no imantado. En el imán todos los electrones tienen el mismo espín.

Este fenómeno explica por qué algunos imanes pierden su magnetismo si se les somete a temperaturas y presiones extremas, ya que estas condiciones afectan a los electrones libres y puede romper su sincronización. También explica el propio proceso de imantación, porque la corriente eléctrica o el campo magnético externo es capaz de obligar a los electrones libres a sincronizarse.

Pero queda una duda, ¿por qué existen imanes naturales? Hemos encontrado yacimientos de minerales como la magnetita, que ya incluyen un campo magnético propio sin necesidad de electricidad ni otros imanes. ¿Cómo han logrado sus propiedades?

En 1966, el físico japonés Yosuke Nagaoka tuvo la misma duda, y se puso a experimentar con los modelos matemáticos que describen el comportamiento de los electrones libres del metal. Comprobó que los electrones se influenciaban entre sí, y que la distancia que mantuvieran entre ellos era clave para predecir su comportamiento. Si los átomos que forman el metal ceden muchos electrones libres, estos se acercan más y cambian de espín con más facilidad, haciendo que no se sincronicen ni formen un imán. En cambio, si hay menos electrones libres, estos estarán más alejados y es más probable que logren sincronizarse por si mismos.

Si las ecuaciones de Nagaoka eran correctas, debería poder lograrse un imán con cualquier tipo de metal, incluso los no imantables como el oro o la plata. Lo único que tendríamos que hacer es quitar electrones libres hasta que los restantes se repartan a la distancia correcta para sincronizarse y generar un campo magnético. Una idea interesante, pero imposible de conseguir en 1966. Y es que es casi imposible arrancar electrones libres de un metal uno a uno con la precisión necesaria para formar este imán.

Por ese motivo, aunque la teoría de Nagaoka era bastante aceptada en la comunidad científica por su base teórica y matemática, la idea de crear su imán fue guardada en un cajón, descartada como imposible hasta que alguien desarrollara la tecnología necesaria para crearlo, cosa que no ha sucedido hasta más de cincuenta años después.

El imán que no debía existir

El imán imposible de Nagaoka fue creado en 2020 gracias a una colaboración entre diferentes laboratorios de nanofísica, aprovechando una nueva tecnología cada vez más popular entre los científicos: los puntos cuánticos.

Un punto cuántico es una trampa para electrones, un pequeño circuito eléctrico formado por unos pocos átomos. Cuando bajamos la temperatura del circuito por debajo de los -200 grados Celsius, el propio funcionamiento de los átomos se lentifica y el circuito actúa como una jaula en la que podemos meter electrones uno a uno y ver cómo interactúan entre ellos.

En el experimento, los científicos crearon un punto cuántico de cuatro átomos y arrojaron tres electrones dentro. En la naturaleza esto es imposible de ver, ya que cuatro átomos deberían ceder cuatro electrones, y no tres. Pero a esa temperatura y condiciones, los tres electrones permanecen encerrados y no pueden coger ninguno más. Es exactamente como si hubiéramos quitado uno, imitando el imán de Nagaoka.

Al ver el baile de esos tres electrones encerrados, comprobaron que los espines se sincronizaban y generaban un pequeño campo magnético que pudieron medir. Con un electrón de menos se había formado un imán de manera espontánea, tal y como Nagaoka predijo.

Esquema del punto cuántico creado por los experimentadores. Los tres electrones del interior se sincronizan formando un pequeño imán, como predijo Nagaoka.
Esquema del punto cuántico creado por los experimentadores. Los tres electrones del interior se sincronizan formando un pequeño imán, como predijo Nagaoka.Propio

Este experimento ha sido sonado pero no tanto por el resultado del experimento, sino por las posibles aplicaciones del punto cuántico. El imán de Nagaoka es el primero de muchos experimentos que se consideraban imposibles y que ahora se pueden hacer, gracias a la manipulación precisa de átomos y electrones. Llega una nueva época para que los químicos realicen esos experimentos prohibidos que eran guardados en un cajón sólo por ser imposibles.

QUE NO TE LA CUELEN:

  • El espín se suele interpretar como la rotación de los electrones, pero es una definición inexacta. Es mejor referirse a él como un parámetro cuántico que define y diferencia a cada electrón y que se relaciona con el campo magnético que generan.
  • Existen más tipos de magnetismo generados por procesos diferentes. El imán de Nagaoka y lo descrito en el artículo se centra exclusivamente en los materiales ferromagnéticos.

REFERENCIAS: