En física, muchas ideas pasan décadas existiendo únicamente en ecuaciones. El llamado modelo de reloj de seis estados es uno de esos casos clásicos: un marco teórico desarrollado en los años setenta para describir cómo se comporta el magnetismo cuando las partículas solo pueden moverse en dos dimensiones. Durante medio siglo, ese modelo fue fundamental para entender transiciones de fase y fenómenos topológicos, pero observarlo de forma completa en un material real parecía casi imposible.
Ahora, un nuevo experimento, publicado en Nature, ha logrado hacerlo. Investigadores han observado por primera vez el llamado “magnetismo reloj” en un cristal ultrafino formado por una sola capa atómica del compuesto NiPS3, un material magnético compuesto por níquel, fósforo y azufre.
El resultado no solo confirma una predicción teórica largamente buscada. También abre una ventana directa a la física topológica en sistemas bidimensionales, un campo que estudia cómo emergen estructuras colectivas complejas cuando muchas partículas interactúan entre sí.
El desafío de recrear un imán verdaderamente bidimensional
El problema principal para comprobar este modelo siempre fue experimental. En la mayoría de los sólidos, incluso en cristales muy delgados, las interacciones magnéticas siguen extendiéndose en tres dimensiones. Eso altera el comportamiento previsto por los modelos teóricos, que requieren sistemas estrictamente bidimensionales.
Para superar esa limitación, los investigadores utilizaron láminas extremadamente finas de NiPS₃. Este material puede exfoliarse hasta quedar reducido a una sola capa de átomos, lo que lo convierte en uno de los mejores candidatos para estudiar magnetismo bidimensional real.
Una vez obtenidas estas capas ultrafinas, el equipo enfrió el sistema a temperaturas extremadamente bajas y analizó cómo evolucionaba su orden magnético. Lo que encontraron coincide sorprendentemente bien con lo que predecían los modelos teóricos desarrollados hace más de cincuenta años.
La aparición de vórtices magnéticos
Cuando el material se enfrió hasta temperaturas cercanas a los −150 °C, apareció una fase magnética muy peculiar conocida como fase de Berezinskii–Kosterlitz–Thouless (BKT). Este estado es famoso en la física teórica porque describe un tipo de transición completamente distinto a las transiciones convencionales entre orden y desorden.
En lugar de alinearse en una dirección fija, los momentos magnéticos de los átomos se organizan formando vórtices magnéticos, estructuras en las que las orientaciones giran gradualmente alrededor de un punto central.
Estos vórtices aparecen siempre en pares de signo opuesto: uno gira en sentido horario y el otro en sentido antihorario. Mientras permanezcan ligados entre sí, el sistema mantiene su orden topológico. Si la temperatura aumenta, los pares pueden separarse, destruyendo ese orden.
La existencia de estos vórtices fue uno de los descubrimientos teóricos más importantes de la física estadística del siglo XX, reconocido con el Nobel Prize in Physics 2016.
El verdadero protagonista: el magnetismo reloj
Al enfriar todavía más el material, ocurrió algo aún más interesante. Los vórtices dejaron de dominar el comportamiento del sistema y el magnetismo adoptó una forma completamente distinta.
En esta nueva fase, los momentos magnéticos ya no pueden orientarse libremente. En cambio, solo pueden apuntar en seis direcciones discretas, separadas por ángulos iguales. Este comportamiento reproduce exactamente el modelo de reloj de seis estados propuesto en los años setenta.
La analogía es sencilla: cada orientación posible corresponde a una posición de las agujas en un reloj imaginario con seis marcas. El sistema puede elegir cualquiera de esas orientaciones equivalentes, pero no valores intermedios.
Durante décadas, los físicos habían observado algunos elementos de este comportamiento en distintos sistemas experimentales. Sin embargo, observar toda la secuencia completa de fases —desde la aparición de vórtices hasta el orden de seis estados— en un único material había resultado extremadamente difícil.
Este experimento lo consigue por primera vez.
Un laboratorio para explorar nuevos estados de la materia
Más allá de confirmar una predicción histórica, el descubrimiento tiene implicaciones importantes para el estudio de los materiales cuánticos. Los vórtices magnéticos observados en este sistema son extremadamente pequeños —del orden de unos pocos nanómetros— y poseen una estabilidad notable. Esa combinación los convierte en candidatos interesantes para futuras tecnologías basadas en el control del magnetismo a escala nanométrica.
Si estos objetos topológicos pudieran manipularse mediante campos magnéticos o corrientes eléctricas, podrían servir como unidades de información en dispositivos de almacenamiento ultracompactos o en arquitecturas de computación cuántica. Además, el experimento demuestra que los materiales magnéticos bidimensionales pueden albergar comportamientos colectivos mucho más ricos de lo que se pensaba. Es posible que otros imanes ultrafinos contengan fases similares que todavía no han sido exploradas.
Por ahora, uno de los grandes desafíos consiste en encontrar materiales donde estas fases aparezcan a temperaturas más altas. Si ese objetivo se alcanza, la física del magnetismo bidimensional podría convertirse en la base de nuevas generaciones de dispositivos magnéticos.
Lo que empezó como un modelo abstracto en la física estadística acaba de convertirse en un fenómeno observable. Y eso sugiere algo interesante: cuando los materiales se reducen al límite de una sola capa atómica, el universo de comportamientos posibles todavía tiene mucho que revelar.
