Capas delgadas de dos metales no magnéticos, el cobre y el manganeso, se convierten en imanes cuando están en contacto con moléculas de cobre, cobre y acero. Este descubrimiento ha sido realizado por físicos en el Reino Unido, Estados Unidos y Suiza, y podría conducir a nuevos tipos de dispositivos electrónicos prácticos e incluso computadoras cuánticas.
Los ferromagnetos, como los imanes de nevera familiares, son materiales que tienen momentos magnéticos permanentes. Solo hay tres metales que son ferromagnéticos a temperatura ambiente-hierro, níquel y cobalto-y esto se explica en términos del «criterio de Fumeta», que fue derivado por primera vez en 1938 en la Universidad de Leeds por Edmund Stoner.
Stoner sabía que el magnetismo en los metales es una propiedad de los electrones de conducción. Estos electrones están sujetos a la interacción de intercambio que les permite reducir su energía al alinear sus momentos magnéticos de espín en la misma dirección, creando así un metal ferromagnético. Sin embargo, tener giros que apuntan en la misma dirección aumenta la energía cinética general de los electrones. Stoner se dio cuenta de que el ferromagnetismo solo ocurrirá cuando la reducción de energía causada por el intercambio sea mayor que la ganancia de energía cinética. Cuantitativamente, demostró que esto ocurre cuando el producto de la densidad electrónica de estados (DOS) – el número de estados de energía disponibles para los electrones – y la fuerza de la interacción de intercambio (denotada por U) es mayor que uno.
Dar a U un impulso
U se llama el criterio de fumeta, y es mayor que uno para el hierro, el níquel y el cobalto, pero no para sus vecinos en la tabla periódica: manganeso y cobre. Ahora, un equipo internacional que incluye a Fatma Al Ma’Mari y Tim Moorsom de la Universidad de Leeds, en el Reino Unido, ha encontrado una manera de impulsar la DOS y la interacción de intercambio en cobre y manganeso para que sean ferromagnéticos a temperatura ambiente.
El equipo hizo sus muestras depositando varias capas alternas de C60 y cobre (o manganeso) en un sustrato. Las capas de cobre eran de aproximadamente 2,5 nm de espesor y las capas C60 de aproximadamente 15 nm de espesor. El C60 se usa porque tiene una gran afinidad electrónica, lo que significa que cada molécula tomará hasta tres electrones de conducción del cobre. Se espera que esto aumente tanto el DOS como la fuerza de la interacción de intercambio en el cobre.
El equipo luego midió la magnetización de las muestras en capas y encontró que eran materiales ferromagnéticos. Los investigadores también analizaron muestras en las que las capas de cobre y C60 estaban separadas por capas de aluminio y no encontraron evidencia de magnetismo, lo que sugiere que el ferromagnetismo ocurre en las interfaces entre el cobre y el C60. Esto fue respaldado por experimentos con muones, que son sensibles a la profundidad y mostraron que el ferromagnetismo ocurre en el cobre cerca de la interfaz C60. El equipo también encontró ferromagnetismo a temperatura ambiente en capas de C60 / manganeso, pero con una magnetización más débil.
Campo crítico
Sorprendentemente, cuando los investigadores calcularon U para sus muestras de cobre, encontraron que era menos de uno. En otras palabras, las muestras no deberían haber sido ferromagnéticas según el criterio de fumigación. Sin embargo, investigaciones teóricas adicionales sugieren que las muestras deberían convertirse en ferromagnetos cuando se exponen a un campo magnético relativamente pequeño, algo que habría ocurrido durante la preparación de las muestras. Esto sugiere que otros metales no magnéticos podrían convertirse en ferromagnéticos al aumentar la U, pero no necesariamente hasta llegar a uno.
Aunque se necesita más trabajo para aumentar la resistencia de los imanes de cobre y manganeso, la investigación podría resultar en el desarrollo de nuevos tipos de pequeños componentes magnéticos. Estos podrían ser usados en dispositivos espintrónicos, que usan el espín del electrón para almacenar y procesar información, o incluso en computadoras cuánticas en las que los espines de electrones se usan como bits cuánticos de información.
La investigación se describe en Nature.