Un trozo de metal puede contener exactamente el tipo de átomos necesarios para ser magnético y, aun así, comportarse de una manera completamente distinta a otro material casi idéntico. El motivo está escondido en distancias tan pequeñas que resultan difíciles de imaginar.
Un equipo encabezado por Farid Labib, de la Universidad de Ciencias de Tokio, acaba de encontrar una regla capaz de ordenar ese caos. En una familia de complejos materiales intermetálicos, conocer cuánto mide su estructura cristalina permite anticipar qué clase de magnetismo aparecerá cuando se enfríen. Los resultados fueron publicados el 30 de septiembre en Journal of the American Chemical Society. Y lo sorprendente es lo poco que hace falta cambiar.
Entre un imán y algo completamente distinto hay apenas 0,1 ángström
Los protagonistas son los llamados compuestos de tipo Tsai, estructuras formadas por varias capas de átomos encajadas unas dentro de otras, casi como muñecas rusas microscópicas. Dentro de ellas, elementos de tierras raras como terbio, disprosio y holmio aportan los momentos magnéticos.
Hasta ahora se utilizaba principalmente la cantidad de electrones de valencia por átomo (el parámetro e/a) para intentar predecir cómo se organizaría ese magnetismo. Funcionaba, pero tenía un problema: los límites cambiaban dependiendo de qué elementos componían el material.
El nuevo trabajo encontró algo mucho más consistente: el parámetro de red, una medida de las dimensiones de la celda que se repite dentro del cristal.
Los resultados dibujan tres regiones extraordinariamente claras. Cuando ese parámetro supera aproximadamente los 14,72 Å, aparece un orden antiferromagnético: los momentos magnéticos se organizan en direcciones opuestas y sus efectos globales se compensan. Entre 14,62 y 14,72 Å, emerge el ferromagnetismo, el comportamiento que asociamos de manera más intuitiva con un imán. Por debajo de 14,62 Å, desaparece el orden magnético de largo alcance y aparece un vidrio de espín, donde los momentos quedan congelados de manera desordenada.
Un ángström equivale a una diezmilmillonésima de metro. Entre dos de esos estados puede haber, por tanto, una diferencia estructural de apenas 0,1 Å.
Tres cristales casi iguales terminaron comportándose de tres maneras distintas
Los experimentos con disprosio muestran especialmente bien hasta qué punto importa esa diferencia. Un compuesto Au-Ga-Dy con un parámetro de red de 14,73 Å desarrolló orden antiferromagnético por debajo de 6,7 K. Otro, de 14,68 Å, pasó a un estado ferromagnético por debajo de 8,6 K. Y al reducir todavía más la estructura hasta 14,60 Å, el resultado fue un vidrio de espín.
Los científicos comprobaron estos estados combinando difracción de rayos X, mediciones de magnetización y experimentos con neutrones. Estos últimos permitieron observar incluso configuraciones en las que los momentos magnéticos forman estructuras no coplanares y parecen arremolinarse alrededor de los clústeres atómicos.
Eso no significa que la distancia entre átomos sea un interruptor mágico. El magnetismo sigue dependiendo de la interacción entre electrones y momentos magnéticos. De hecho, el equipo encontró una fuerte relación entre el parámetro de red y la concentración electrónica: la geometría funciona como una especie de huella visible de una física mucho más profunda.
Ahora tienen un mapa para buscar materiales que todavía no existen
Ahí está probablemente lo más útil del descubrimiento. En lugar de fabricar innumerables combinaciones y comprobar después qué hacen, los investigadores disponen ahora de un mapa estructural que señala dónde buscar determinados estados magnéticos. Eso podría facilitar la exploración de nuevos cuasicristales antiferromagnéticos e incluso configuraciones más exóticas, como ciertas texturas magnéticas con forma de “erizo”.
No han fabricado un nuevo superimán ni existe todavía una aplicación inmediata. Lo que han encontrado es algo anterior y quizá más fundamental: una regla para orientarse dentro de materiales cuya física parecía depender de demasiadas variables al mismo tiempo. Y deja una imagen bastante reveladora de cómo funciona la materia.
Dos cristales pueden parecer prácticamente idénticos. Basta separar sus átomos una fracción minúscula de un ángström para que, en su interior, todos sus pequeños imanes decidan organizarse de una manera completamente diferente.
