Científicos logran por primera vez ver el magnetismo a nivel atómico dentro de un material sólido
Un estudio pionero ha detectado variaciones del magnetismo dentro de un cristal con resolución atómica, revelando cómo el espín y el momento orbital se comportan en planos atómicos individuales y zonas intermedias.
Fuente: ChatGPT / E. F.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 13.07.2025
Aunque no seamos conscientes, el magnetismo está en todas partes: en el motor del cepillo eléctrico, en los altavoces del móvil, en la tarjeta del metro o en los discos duros donde guardamos recuerdos digitales. Sin embargo, lo que ocurre dentro de los materiales que generan ese magnetismo ha sido siempre un terreno brumoso para la ciencia. Hasta ahora, ningún instrumento había logrado mirar en su interior con suficiente detalle como para ver cómo se distribuye el magnetismo entre los átomos.
Un equipo internacional de físicos acaba de romper esa barrera. Gracias a una técnica avanzada con un microscopio electrónico, han logrado observar cómo varía el magnetismo dentro de un sólido a escala atómica. El hallazgo, publicado en Nature Materials, no solo marca un avance técnico sin precedentes: ofrece una nueva forma de comprender y diseñar materiales con propiedades magnéticas hechas a medida. Para lograrlo, los investigadores se centraron en el hierro, un viejo conocido en este campo, pero al que ahora han podido mirar como nunca antes.
Ver lo invisible: así se forma el magnetismo a nivel cuántico
El magnetismo no es un fenómeno misterioso ni etéreo: surge del comportamiento de los electrones. Estos tienen una propiedad cuántica llamada espín, que se puede entender como una especie de “giro” interno, y también una órbita, que es su trayectoria alrededor del núcleo atómico. Ambos factores —espín y momento orbital— generan campos magnéticos diminutos. Cuando estos se alinean en ciertos materiales, como el hierro, se produce el magnetismo a gran escala.
Hasta ahora, medir con precisión estos componentes requería herramientas muy específicas y limitadas. Por ejemplo, la técnica conocida como dicroscopía magnética de pérdida de energía de electrones (EMCD, por sus siglas en inglés) permitía detectar señales magnéticas a nivel atómico, pero solo en condiciones muy controladas, y generalmente en la superficie del material. Lo que ha logrado este nuevo trabajo es aplicar EMCD en modo de barrido (STEM) con una sonda de electrones muy enfocada, capaz de escanear el interior del material con resolución atómica.
Gracias a este avance, los investigadores pudieron identificar las contribuciones individuales del espín y del momento orbital en diferentes planos atómicos del cristal. La clave está en que no solo detectaron estas señales, sino que además lo hicieron con una resolución tan alta que pudieron observar variaciones dentro del mismo plano, algo que nunca se había conseguido hasta ahora.
Esquema del experimento y primera detección del magnetismo atómico A la izquierda, se ilustra cómo un haz de electrones atraviesa planos atómicos de hierro (Fe), orientados para maximizar la señal magnética. Al centro, una imagen del cristal vista por microscopía electrónica; a la derecha, la misma zona aumentada, donde se registraron los datos. Debajo, se muestran simulaciones (b) y resultados experimentales (c) de las señales magnéticas EMCD detectadas, con gráficas que comparan los espectros registrados en distintas posiciones del haz. Fuente: Nature MaterialsUn cristal de hierro bajo la lupa
Para poner a prueba su técnica, el equipo utilizó un cristal de hierro con apenas 10 nanómetros de grosor. Eligieron este material no solo por su familiaridad, sino porque ofrece un comportamiento magnético bien estudiado, lo que permitía comparar sus resultados con modelos previos. El experimento consistió en dirigir un haz de electrones muy fino a través del cristal y registrar las señales EMCD que se generaban al atravesar distintos puntos de la muestra.
Los resultados sorprendieron incluso a los propios investigadores. En palabras del artículo: “Determinamos no solo la razón entre los momentos orbitales y de espín para planos atómicos individuales, sino que también revelamos sus variaciones locales a escalas subatómicas”. En otras palabras, el magnetismo no era uniforme dentro del cristal, sino que cambiaba de un plano a otro… e incluso entre los átomos de un mismo plano.
Esta relación, conocida como mL/mS, indica cuánto del magnetismo total proviene del momento orbital frente al espín. Lo esperado era encontrar una proporción constante, pero no fue así. Descubrieron que entre los planos atómicos —en las regiones aparentemente vacías entre capas de átomos— esta proporción se reducía. El magnetismo en esas zonas era diferente, lo que indica que los electrones no se comportan de forma homogénea en todo el cristal.
En la parte izquierda (a), se observa una imagen HAADF de nueve planos atómicos. En cada uno, los científicos extrajeron espectros de energía (b), que muestran cómo se distribuye el magnetismo. A la derecha (c), las curvas ajustadas permiten calcular la relación entre momento orbital y de espín (mL/mS). La gráfica final (d) resume los valores obtenidos con sus márgenes de error, evidenciando diferencias dentro del mismo cristal. Fuente: Nature Materials
Una sensibilidad que roza lo subatómico
Al aumentar la precisión del haz de electrones, los científicos lograron obtener mediciones aún más detalladas. En concreto, variaron la posición del haz entre los planos atómicos del hierro y comprobaron cómo cambiaba la señal EMCD. Lo que observaron fue una modulación sistemática de los valores de mL/mS según la posición, algo que confirmaron mediante simulaciones teóricas. En el texto se señala que “las variaciones observadas entre los dos planos atómicos están impulsadas por efectos de superficie”.
Estos efectos de superficie son comunes en materiales muy finos, como el utilizado en el experimento, donde los átomos de la capa más externa se comportan de forma distinta al resto. De hecho, otros estudios han demostrado que estos átomos pueden tener un momento orbital más alto, lo que explicaría las diferencias detectadas. En este caso, el haz de electrones atraviesa varias capas, y su señal incluye una “media” de las contribuciones de los átomos superficiales y los internos.
Gracias al uso de un modo de adquisición denominado q–E, el equipo logró capturar toda la información en una única exploración del material. Esto eliminó problemas comunes como el desplazamiento de la muestra entre escaneos o el daño causado por el propio haz, que en materiales sensibles puede alterar los resultados.
Espintrónica, almacenamiento y otras aplicaciones futuras
Este tipo de investigación no se queda en el plano teórico. Comprender con tanta precisión cómo se comporta el magnetismo a escala atómica puede transformar tecnologías clave. Una de las más prometedoras es la espintrónica, una disciplina que busca aprovechar el espín de los electrones para transmitir y almacenar información de forma más eficiente que la electrónica convencional.
Actualmente, muchos dispositivos dependen de materiales magnéticos diseñados a partir de pruebas y errores. Con esta nueva técnica, será posible personalizar la estructura magnética de un material desde el nivel atómico, optimizando sus propiedades para cada aplicación específica. Por ejemplo, podrían crearse memorias magnéticas más rápidas, sensores más precisos o componentes para ordenadores cuánticos.
Además, los resultados podrían tener implicaciones en el estudio de materiales antiferromagnéticos, donde el comportamiento del espín es mucho más complejo y difícil de observar. El artículo señala que “en el futuro, podrían existir posibilidades de mapear los momentos magnéticos con resolución espacial orbital”, algo que abriría una nueva etapa en el diseño de materiales funcionales.
Un nuevo capítulo para la física del magnetismo
Aunque el estudio se centra en un material y un tipo de experimento concreto, sus implicaciones van más allá. Ahora que existe un método para visualizar cómo se distribuye el magnetismo en una escala tan pequeña, se abre la posibilidad de estudiar muchos otros materiales con este mismo enfoque. Cada uno podría revelar patrones ocultos, comportamientos inusuales o incluso propiedades inesperadas que hasta ahora habían pasado desapercibidas.
El trabajo de Hasan Ali y su equipo no resuelve todas las preguntas sobre el magnetismo, pero pone en manos de la ciencia una herramienta con una sensibilidad sin precedentes. A partir de aquí, será posible explorar fenómenos cuánticos más complejos, diseñar materiales más sofisticados y avanzar hacia tecnologías aún por imaginar.
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Referencias
Hasan Ali, Jan Rusz, Daniel E. Bürgler, Joseph V. Vas, Lei Jin, Roman Adam, Claus M. Schneider & Rafal E. Dunin-Borkowski. Visualizing subatomic orbital and spin moments using a scanning transmission electron microscope. Nature Materials (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02242-6.
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