Un experimento con un cristal de una sola capa atómica confirma por primera vez el modelo de “magnetismo reloj” propuesto en los años setenta y revela nuevas fases magnéticas en dos dimensiones
Ilustración artística de los momentos magnéticos en una red cristalina bidimensional. Las flechas representan la orientación magnética de los átomos en el material; la imagen es solo ilustrativa y no corresponde a una observación directa del experimento. Fuente: ChatGPT
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico/muyinteresante.okdiario.com/8.03.2026
Los materiales pueden comportarse de maneras sorprendentes cuando se reducen hasta escalas extremadamente pequeñas. En particular, cuando un cristal se adelgaza hasta quedar formado por una sola capa de átomos, sus propiedades magnéticas pueden cambiar radicalmente. En ese límite bidimensional aparecen fenómenos que durante décadas solo existían en modelos teóricos. Un nuevo experimento ha logrado observar por primera vez uno de esos comportamientos: el llamado “magnetismo reloj” de seis estados, una estructura magnética que había sido propuesta en los años setenta dentro de la física estadística.
El resultado no solo confirma una predicción teórica largamente buscada. También proporciona una ventana directa a la física topológica en sistemas bidimensionales, un área que estudia cómo ciertas estructuras colectivas emergen de la interacción entre muchas partículas. Comprender estos estados podría abrir nuevas formas de controlar el magnetismo a escalas nanométricas, algo relevante para futuras tecnologías de almacenamiento de información y dispositivos cuánticos ultracompactos.
Un experimento que pone a prueba una vieja predicción teórica
En la década de 1970, los físicos propusieron varios modelos para entender cómo se organiza el magnetismo cuando las partículas solo pueden moverse en dos dimensiones. Uno de los más conocidos es el modelo de reloj de seis estados, un marco teórico que describe sistemas en los que los momentos magnéticos —la orientación magnética asociada a cada átomo— solo pueden apuntar en seis direcciones posibles relacionadas por simetría.
Durante décadas, este modelo fue una herramienta teórica muy influyente, pero demostrar su comportamiento completo en un sistema real resultó extremadamente difícil. El problema radica en que las transiciones magnéticas previstas por la teoría aparecen únicamente bajo condiciones muy específicas, sobre todo en materiales que se comporten como imanes verdaderamente bidimensionales. En la mayoría de los sólidos, incluso los más delgados conservan interacciones tridimensionales que alteran el comportamiento esperado.
El nuevo trabajo logró superar esa dificultad utilizando un cristal ultrafino compuesto por níquel, fósforo y azufre, conocido como NiPS₃, que puede exfoliarse hasta obtener láminas de una sola capa atómica. En ese límite extremo, el material se aproxima mucho al comportamiento ideal descrito por los modelos teóricos de magnetismo bidimensional. Al enfriar estas capas atómicas a temperaturas muy bajas, los investigadores pudieron seguir paso a paso cómo evoluciona su orden magnético.
Los resultados muestran que el sistema atraviesa una secuencia completa de fases magnéticas exóticas que coincide con las predicciones del modelo de reloj de seis estados. Esta observación constituye una de las demostraciones experimentales más claras hasta ahora de cómo funciona el magnetismo en sistemas estrictamente bidimensionales.
En una capa atómica de cristal, los momentos magnéticos se organizan en remolinos llamados vórtices, característicos de la fase BKT del magnetismo bidimensional. Fuente: Ella Maru Studios
La primera fase: vórtices magnéticos en el régimen BKT
Cuando el material ultrafino se enfrió hasta temperaturas entre aproximadamente −150 y −130 °C, apareció una fase magnética muy particular conocida como fase de Berezinskii–Kosterlitz–Thouless (BKT). Este estado es famoso en la física teórica porque describe un tipo de transición que no se parece a las transiciones convencionales entre orden y desorden.
En esta fase, los momentos magnéticos de los átomos no se alinean simplemente en una dirección fija. En cambio, se organizan formando estructuras en espiral llamadas vórtices magnéticos. Cada vórtice representa un patrón en el que las orientaciones magnéticas giran progresivamente alrededor de un punto central.
Un aspecto crucial es que estos vórtices aparecen en pares de signo opuesto. Uno gira en sentido horario y el otro en sentido antihorario, y ambos permanecen ligados entre sí. Esta unión es lo que mantiene estable la fase BKT. Si la temperatura aumenta, esos pares pueden separarse, lo que destruye el orden topológico del sistema.
El interés de estos vórtices radica en su extraordinaria estabilidad y tamaño diminuto. Las predicciones teóricas indican que pueden ocupar apenas unos pocos nanómetros de ancho mientras permanecen confinados en una sola capa atómica. Esa combinación de robustez y escala ultrapequeña los convierte en candidatos potenciales para nuevas formas de manipular información magnética en dispositivos nanoscale.
Además, la fase BKT es un ejemplo emblemático de fenómenos topológicos, en los que las propiedades colectivas del sistema dependen de configuraciones globales más que de la orientación individual de cada partícula. Este tipo de física ha adquirido gran relevancia en los últimos años, especialmente tras el reconocimiento con el Nobel de Física de 2016 a los teóricos que desarrollaron su descripción.
El surgimiento del “magnetismo reloj” al enfriar aún más el material
Al continuar reduciendo la temperatura del sistema, el material entró en una segunda fase magnética distinta. En esta nueva etapa, los momentos magnéticos dejan de formar vórtices dinámicos y pasan a adoptar orientaciones discretas bien definidas.
En concreto, cada momento magnético puede apuntar únicamente en seis direcciones posibles, separadas entre sí por ángulos iguales. Esta restricción produce el comportamiento característico del modelo de reloj de seis estados, en el que el sistema se organiza de manera similar a las posiciones de las agujas de un reloj imaginario.
Este ordenamiento surge debido a la simetría interna del cristal y a las interacciones magnéticas entre átomos vecinos. Cuando la energía térmica es lo suficientemente baja, el sistema encuentra más favorable adoptar una de esas seis configuraciones equivalentes en lugar de orientarse libremente.
Lo importante es que los investigadores observaron toda la secuencia de transiciones esperada por la teoría: primero la aparición de la fase BKT con vórtices ligados y después el establecimiento del orden de seis estados. Durante mucho tiempo, cada una de estas fases se había detectado por separado en distintos sistemas experimentales. Sin embargo, observarlas consecutivamente en un mismo material era un desafío pendiente.
Este resultado confirma que el sistema estudiado constituye una realización experimental completa del modelo bidimensional de reloj de seis estados, uno de los marcos conceptuales clásicos de la física de sistemas complejos.
Modelo de reloj de seis estados en NiPS3 atómicamente delgado. Fuente: NaturePor qué este descubrimiento importa para la física y la tecnología
La observación directa de estas fases magnéticas no solo resuelve una cuestión teórica de larga data. También demuestra que los materiales magnéticos bidimensionales pueden albergar comportamientos colectivos mucho más ricos de lo que se pensaba.
Uno de los aspectos más prometedores es la posibilidad de controlar vórtices magnéticos extremadamente pequeños y estables. Si estos objetos topológicos pudieran manipularse con campos magnéticos, corrientes eléctricas u otros estímulos externos, podrían servir como unidades de información en futuras arquitecturas de almacenamiento o procesamiento.
El hecho de que estos fenómenos aparezcan en láminas de una sola capa atómica también abre la puerta a dispositivos muy compactos. Los sistemas bidimensionales son especialmente atractivos para la nanoelectrónica porque pueden integrarse en estructuras apiladas o combinadas con otros materiales ultrafinos.
Además, el estudio sugiere que el comportamiento observado podría no ser exclusivo de un único material. Es posible que muchos otros imanes bidimensionales contengan fases similares que todavía no han sido exploradas experimentalmente.
Un desafío importante para el futuro será encontrar materiales en los que estas fases aparezcan a temperaturas más altas, idealmente cercanas a la temperatura ambiente. Si eso se logra, las propiedades topológicas del magnetismo bidimensional podrían convertirse en la base de nuevas tecnologías magnéticas.
Un laboratorio natural para estudiar la física topológica
Más allá de las aplicaciones, el experimento ofrece algo igualmente valioso: un sistema real donde estudiar en detalle cómo emergen estructuras topológicas en materiales cuánticos. Los modelos teóricos como el de reloj de seis estados se utilizan para describir una gran variedad de fenómenos colectivos en física.
Tener una plataforma experimental donde estas ideas se manifiesten de forma clara permite explorar preguntas fundamentales sobre orden, simetría y transiciones de fase en sistemas con muchas partículas.
En ese sentido, los cristales magnéticos bidimensionales se están convirtiendo en un auténtico laboratorio para investigar nuevos estados de la materia. La observación del magnetismo reloj representa un paso importante dentro de ese esfuerzo, y sugiere que aún quedan muchos comportamientos inesperados por descubrir cuando los materiales se reducen al límite de una sola capa atómica.
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Referencias
Gao, F.Y., Kim, D.S., Lei, C. et al. Six-state clock physics in an atomically thin antiferromagnet. Nat. Mater. (2026). https://doi.org/10.1038/s41563-026-02516-7.
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