DOSSIER
El impacto del altermagnetismo va más allá de la física fundamental. En el ámbito de la espintrónica, por ejemplo, combina lo mejor de los ferromagnetos (su capacidad para leer y escribir datos) con la estabilidad de los antiferromagnetos.
1. Investigadores demuestran que existe una nueva clase de magnetismo que los físicos ya habían anticipado: su nombre es "altermagnetismo"
Descubre el altermagnetismo: una nueva forma de magnetismo que puede cambiar las reglas del juego en la tecnología.
Investigadores demuestran que existe una nueva clase de magnetismo que los físicos ya habían anticipado: su nombre es "altermagnetismo". Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz. - Frigorífico con imanes
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 11.12.2024
El primer contacto de cualquier niño con el electromagnetismo es la interacción con esos imanes que ponemos en los frigoríficos, provenientes de viajes y regalos cuya procedencia olvidamos para siempre. Pero el magnetismo es mucho más que eso. Los materiales magnéticos son esenciales para nuestra tecnología, desde discos duros hasta microchips. Cuando creíamos que lo sabíamos todo sobre el magnetismo, una nueva faceta de la materia entra en juego. Un equipo de científicos han identificado un tipo completamente nuevo de magnetismo que podría cambiar las reglas del juego: el altermagnetismo.
Esta nueva forma de magnetismo es distinta de las ya conocidas, como el ferromagnetismo, el diamagnetismo y el paramagnetismo, y combina características únicas que abren la puerta a dispositivos más rápidos y eficientes. En los materiales ferromagnéticos, los momentos magnéticos de los átomos están alineados en la misma dirección, lo que produce una magnetización neta fuerte. En contraste, los materiales paramagnéticos tienen momentos magnéticos que, aunque no están alineados en ausencia de un campo externo, se orientan temporalmente cuando dicho campo está presente. Por su parte, los materiales diamagnéticos generan una débil magnetización en sentido opuesto al campo aplicado, sin tener momentos magnéticos intrínsecos.
¿Qué es el altermagnetismo?
Esta nueva forma de magnetismo es distinta de las ya conocidas, como el ferromagnetismo, el diamagnetismo y el paramagnetismo, y combina características únicas que abren la puerta a dispositivos más rápidos y eficientes. En los materiales ferromagnéticos, los momentos magnéticos de los átomos están alineados en la misma dirección, lo que produce una magnetización neta fuerte. En contraste, los materiales paramagnéticos tienen momentos magnéticos que, aunque no están alineados en ausencia de un campo externo, se orientan temporalmente cuando dicho campo está presente. Por su parte, los materiales diamagnéticos generan una débil magnetización en sentido opuesto al campo aplicado, sin tener momentos magnéticos intrínsecos.
El altermagnetismo se presenta como una revolución conceptual en la física del magnetismo. En este tipo de materiales, los momentos magnéticos están dispuestos de forma antiparalela, pero con una peculiaridad: la estructura cristalina que alberga cada momento está rotada respecto a la de sus vecinos. Este patrón genera propiedades completamente nuevas, ausentes en el ferromagnetismo y antiferromagnetismo convencionales.
Una de sus características más llamativas es la ausencia de magnetización neta. A pesar de ello, los altermagnéticos son capaces de manipular corrientes de espín, lo que los convierte en candidatos ideales para la spintrónica, una tecnología que usa el espín de los electrones en lugar de su carga eléctrica para procesar información. Esta combinación de estabilidad frente a interferencias externas y control preciso del espín marca un antes y un después en el diseño de materiales funcionales.
El "altermagnetismo" es un tipo de magnetismo que había sido teorizado y que, por fin, ha sido visto. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Ventajas tecnológicas del altermagnetismo
Los dispositivos magnéticos tradicionales suelen depender de materiales tóxicos y costosos, como el cobalto o el níquel. El uso de materiales altermagnéticos podría reducir esta dependencia, ya que son más sostenibles y eficientes. Incluso este nuevo magnetismo tiene el potencial de incrementar la velocidad de los dispositivos digitales hasta mil veces, un avance sin precedentes en áreas como la inteligencia artificial o el almacenamiento de datos.
Otro beneficio crucial radica en su compatibilidad con otras tecnologías avanzadas, como los superconductores y los aislantes topológicos. Un detalle que permitiría el desarrollo de dispositivos híbridos con propiedades únicas, combinando escalabilidad con eficiencia energética. En palabras del profesor Wadley, el altermagnetismo es "antiferromagnetismo con un giro, pero con enormes ramificaciones tecnológicas".
Un vistazo al experimento
Para confirmar la existencia del altermagnetismo, los investigadores utilizaron un material llamado MnTe (telururo de manganeso). En el laboratorio internacional MAX IV, en Suecia, emplearon rayos X para analizar la disposición de los momentos magnéticos. Estos experimentos les procuro la posibilidad de generar imágenes detalladas a escalas nanométricas.
El doctor Oliver Amin, quien lideró la parte experimental, destacó la importancia del logro: "Nuestro trabajo experimental ha conectado conceptos teóricos con aplicaciones reales, iluminando el camino hacia el desarrollo de materiales altermagnéticos para usos prácticos". Gracias a estas técnicas, los investigadores pudieron observar y manipular configuraciones complejas, como vórtices magnéticos y paredes de dominio, con un nivel de precisión sin precedentes.
La imagen muestra cómo se mapearon patrones del altermagnetismo en MnTe, como vórtices, mediante técnicas avanzadas de microscopía. Fuente: Nature
El altermagnetismo: de la teoría a la experimentación
En 2022, los investigadores L. Šmejkal, J. Sinova y T. Jungwirth introdujeron el concepto de altermagnetismo como una nueva clase de orden magnético que combina las ventajas del ferromagnetismo y el antiferromagnetismo. En un publicado en Physical Review X, describieron cómo esta fase magnética rompe la simetría de reversión temporal sin generar magnetización neta. En lugar de depender de alineamientos lineales de los momentos magnéticos, como en los ferromagnetos, el altermagnetismo introduce un patrón estructural único en el que los momentos están dispuestos de forma antiparalela, pero con sublattices rotadas respecto a sus vecinas. Este patrón habilita propiedades extraordinarias, como la conducción de corrientes de espín sin pérdidas significativas y la resistencia a perturbaciones externas.
Un segundo artículo del mismo año, "Emerging research landscape of altermagnetism", describía las posibles aplicaciones de esta nueva fase magnética. Los autores señalaron que los altermagnéticos podrían reemplazar materiales ferromagnéticos convencionales en dispositivos electrónicos, lo que aumentaría la eficiencia energética y reduciría la dependencia de materiales raros y tóxicos. Además, destacaron la compatibilidad del altermagnetismo con fases electrónicas avanzadas, como superconductores y materiales topológicos, abriendo el camino para el desarrollo de dispositivos híbridos y escalables en el campo de la spintrónica y la computación cuántica.
El salto experimental de 2024
A pesar del impacto teórico de los estudios de 2022, hasta ahora el altermagnetismo solo había sido demostrado a través de simulaciones y mediciones indirectas. El nuevo artículo publicado en Nature en 2024 representa un avance crucial al proporcionar la primera evidencia experimental directa de esta fase magnética. Este logro valida las predicciones teóricas y extiende su alcance al permitir el mapeo y control de configuraciones magnéticas complejas, como vórtices y paredes de dominio.
Lo más relevante de este nuevo trabajo es la demostración del control de estas configuraciones magnéticas mediante microestructuras diseñadas y ciclos térmicos. Este nivel de manipulación no solo confirma la existencia del altermagnetismo, sino que también allana el camino para su integración en dispositivos tecnológicos. Así, este artículo conecta la teoría con aplicaciones prácticas, marcando un hito en el desarrollo de nuevos materiales funcionales.
El uso de materiales altermagnéticos podría reducir esta dependencia, ya que son más sostenibles y eficientes. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Hacia la aplicación práctica
El impacto del altermagnetismo va más allá de la física fundamental. En el ámbito de la espintrónica, por ejemplo, combina lo mejor de los ferromagnetos (su capacidad para leer y escribir datos) con la estabilidad de los antiferromagnetos. Esto podría traducirse en dispositivos más robustos, capaces de operar en entornos extremos o con mayor durabilidad.
Por otra parte, este tipo de magnetismo podría jugar un papel crucial en la tecnología cuántica. La posibilidad de integrar altermagnéticos con superconductores, esenciales para el desarrollo de computadoras cuánticas, es una de las áreas más prometedoras que podrían explorarse gracias a este descubrimiento.
El papel del MnTe en el descubrimiento
El MnTe, uno de los primeros materiales estudiados en el campo del altermagnetismo, ha demostrado ser ideal para investigar este fenómeno. Este material no solo es relativamente abundante, sino que también presenta una estructura cristalina que facilita la observación y manipulación de las texturas magnéticas.
En su estudio, los investigadores controlaron configuraciones a distintas escalas, desde microscopía de vectores magnéticos hasta patrones más grandes y uniformes. Estas herramientas permitieron analizar cómo los momentos magnéticos se organizan en dominios y cómo pueden ser manipulados mediante procesos de enfriamiento controlado y patrones microestructurados. Esto abre la puerta a aplicaciones que abarcan desde dispositivos neuromórficos hasta sistemas de almacenamiento con densidades inigualables.
Eugenio M. Fernández Aguilar
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Referencias
Šmejkal, L., Sinova, J., Jungwirth, T. Beyond conventional ferromagnetism and antiferromagnetism: A phase with nonrelativistic spin and crystal rotation symmetry. Physical Review X, 12, 031042 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031042
Šmejkal, L., Sinova, J., Jungwirth, T. Emerging research landscape of altermagnetism. Physical Review X, 12, 040501 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.040501
Amin, O. J., Dal Din, A., Golias, E., Niu, Y., Zakharov, A., Fromage, S. C., Fields, C. J. B., Heywood, S. L., Cousins, R. B., Maccherozzi, F., Krempasky, J., Dil, J. H., Kriegner, D., Kiraly, B., Campion, R. P., Rushforth, A. W., Edmonds, K. W., Dhesi, S. S., Šmejkal, L., Jungwirth, T., Wadley, P. Nanoscale imaging and control of altermagnetism in MnTe. Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-12345
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2. Logran controlar el altermagnetismo, una nueva forma de magnetismo
Los materiales altermagnéticos combinan las mejores propiedades de los ferromagnéticos y las mejores de los antiferromagnéticos en un solo material...
El altermagnetismo es una forma distinta de orden magnético en la que los diminutos bloques magnéticos constituyentes se alinean de forma antiparalela con respecto a sus vecinos, pero la estructura que aloja a cada uno de ellos está girada en comparación con sus vecinos. Es como el antiferromagnetismo con un giro. Pero esta sutil diferencia tiene enormes ramificaciones.
Un equipo integrado, entre otros, por Peter Wadley y Oliver Amin, ambos de la Universidad de Nottingham en el Reino Unido, ha demostrado que esta nueva tercera clase de magnetismo puede controlarse en dispositivos microscópicos.
Es muy común usar materiales magnéticos para dispositivos de almacenamiento de datos. Sin embargo, sustituir los materiales actuales por materiales altermagnéticos conllevaría un enorme aumento de la velocidad y la eficiencia, al tiempo que evitaría en gran parte tener que depender de materiales que son escasos y tóxicos, pero que se necesitan para la tecnología ferromagnética convencional.
Los materiales altermagnéticos combinan las mejores propiedades de los ferromagnéticos y las mejores de los antiferromagnéticos en un solo material. Tienen el potencial de multiplicar por mil la velocidad de los componentes microelectrónicos y de memoria digital, además de ser más robustos y más eficientes energéticamente.
Los autores de la nueva investigación han conseguido tender un puente entre el concepto teórico y los resultados prácticos y tangibles. Esto abre un camino hacia el desarrollo de materiales altermagnéticos para diversas aplicaciones prácticas.
Mapa de un par de vórtices altermagnéticos en telururo de manganeso. Los seis colores, con flechas superpuestas, muestran la dirección del ordenamiento altermagnético dentro del material. El tamaño de la región mostrada es de 1 micrómetro cuadrado. (Imagen: Oliver Amin / University of Nottingham)
El estudio se titula “Nanoscale imaging and control of altermagnetism in MnTe”. Y se ha publicado en la revista académica Nature. (Fuente: NCYT de Amazings)
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