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Nanomagnetismo, espintrónica…¿Hasta dónde llegaremos?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Ciencia futura    ~    Comentarios Comments (3)

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“El extraterrestre es mi hermano”  [Y entonces salimos para volver a ver las estrellas]. Con este célebre verso finaliza el Canto del Infierno de la Divina Comedia de Dante, y que sirve para describir la misión de la Astronomía, que es sobre todo, la de restituir a los hombres la dimensión justa de las criaturas pequeñas y frágiles ante el escenario inconmensurable de millones y millones de galaxias.

¿Y si después descubriéramos que no estamos sólos en el Universo?

La Astronomía tiene un profundo valor profundamente humano. Es una Ciencia que abre el corazón y la Mente. Nos ayuda a situar en la perspectiva correcta nuestra vida, nuestras esperanzas y nuestros problemas. En este sentido, podemos decir que, estamos más cerca que nunca del Universo del que formamos parte.

No puedo explicar como me han salido esas palabras del comienzo, toda vez que, mi intención cuando comencé a escribir, era la de hablar un poco del magnetismo y de cosas pequeñas que, en el futuro no muy lejano, nos pueden situar en el plano de lo más alto de la tecnología.

El estudio del magnetismo en España está a un buen nivel y su dinámica está distribuida por todo el pais. La Física de esta disciplina despertó allá por los años setenta y, hasta el momento, no ha hecho más que crecer. Amplias son las aplicaciones del magnetismo en los problemas básicos, como las omnipresentes aplicaciones tecnológicas del magnetismo. Estas temáticas abarcan desde la investigación en materiales masivos clásicos, tales como los duros para imánes permanentes y blandos para transformadores, sensores o actuadores, hasta los aspectos más modernos relacionados con los nanomateriales y la espintrónica. Hoy día, es en este último campo donde se desarrolla la mayor parte de la actividad investigadora relacionada con el magnetismo en España y en el resto del Mundo.


Proceso de vaciado del núcleo de oxo-hidróxido de hierro y “rellenado” de material magnético duro.


Esquema artístico del experimento de bombardeo con un pulso de corriente de electrones sobre un disco de lámina delgada de CoCrPt (cuadrado). El pulso crea campos magnéticos sobre el disco (circulos), según la ley de faraday.

Los llamados nanomateriales constituyen una nueva generación de sistemas preparados artificialmente, que tienen un gran impacto científico tanto por lo que hace referencia a la ciencia básica como a sus aplicaciones tecnológicas. Todos ellos comparten la característica común de contener estructuras de tamaño nanométrico. Es precisamente la existencia de esas escalas nanométricas lo que confiere grados de libertad a la complejidad de estos sistemas y da lugar a la aparición de una gran variedad de nuevos fenómenos. El control de una estructura mediante distintas técnicas de preparación y de tratamiento ulterios permite  prediseñar a la carta sus resultados finales. Es por ello que, en las últimas décadas, los nanomateriales se han convertido en sistema paradigmáticos para el descubrimioento de nuevos fenómenos y la exploración de modelos y teorías de la ciencia de materiales y la física, como es el caso de la magnetorresisitencia gigante,descubiertas por los Profesores Fert y Grünberg que obtuvieron el Nobel de Física de 2007.

 

GMR de válvula de spin.

En particular los nanomateriales magnéticos han adquirido una gran relevancia científica y tecnológica desde que, hace 60 años , Louis Neel y otros centraran su atención en los sistemas magnéticos de partículas pequeñas y publicaran los primeros trabajos en este campo. Trabajos que allanaron el camino hacia lo que hoy en día puede considerarse una de las áreas de investigación más activas en el magnetismo moderno.

El francés Albert Fert y el alemán Meter Grünberg se han hecho con el Premio Nobel de Física 2007 por su descubrimiento de la magnetorresistencia gigante, un efecto de la mecánica cuántica que ha permitido el diseño de lectores de discos duros de ordenadores y la miniaturización de estos dispositivos, ha comunicado hoy la Real Academia de Ciencias de Suecia. El galardón premia así a la primera gran aplicación práctica de la nanotecnología (disciplina de la física dedicada al estudio de la materia de tamaño menor a un micrómetro -una millonésima parte de un metro-).

Grünberg y Fert en dos imágenes de archivo

Grünberg y Fert en dos imágenes de archivovvvv- EFE
Espintrónica:
(Neologísmo a partir de “espín” y “electrónica” y conocido también como magnetoelectrónica) es una tecnología emergente que explota tanto la carga del electrón como su espín, que se manifiesta como un estado de energía magnética débil que puede tomar solo dos valores, + \hbar/2 o - \hbar /2 (donde \hbar es la constante de Planck dividida por 2π o constante racionalizada de Planck (ℏ).

Aquí notamos las posibles orientaciones del espín (S)
En los últimos cincuenta años, el transporte eléctrico y los fenómenos asociados con el espín del electrón han sido tratados de forma separada en la mayoría de los casos. Así, la investigación científica ha dado lugar por un lado a la microelectrónica y por otro a las aplicaciones del magnetismo. El desarrollo de técnicas de preparación que permiten desarrollar sistemas nanoestructurados cada vez de mejor calidad ha abierto el camino hacia una nueva disciplina conocida como espintrónica, donde el transporte electrónico y el espín se comjugan para dar lugar a una gran riqueza de nuevos efectos. En esta nueva área, se investigan los métodos para producir, manipular y detectar corrientes polarizadas de espín, es decir, se pretende controlar la corriente a través del espín de los electrones.
Para ello, es fundamental entender los nuevos fenómenos que aparecen cuando la conducción eléctrica se da a través de sistemas magnéticos que contienen nanoestructuras de escala inferior a la distancia característica que el electrón puede recorrer sin cambiar su espín (longitud de difusión del espín). En particular, son de espacial relevancia los procesos de dispersión electrónica y de efecto túnel dependientes del espín, que están en el orgien de muchas de las aplicaciones más prometedoras de la espintrónica, tales como las cabezas lectoras en dispositivos de gravación magnéticas y las memorias magnéticas de acceso aleatorio. A este respecto, es de destacar que el que el premio Nobel de Física del año 2007 por el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante (GMR) que arriba representamos, constituye uno de los primeros grandes logros de la espintrónica aplicada a los nanomateriales.
Está claro que, conocer a fondo lo que se puede extraer de las virtudes del electrón, es algo incalculable y, estamos al tanto de lo más básico de esta pequeña partícula pero, nos queda mucho por estudiar en experimentos aún no realizados que nos puedan hablar de misterios tales como, el salto cuántico y otros que aún no comprendemos bien. en síntesis, un electrón se representa:
orbit_s.gif
Los orbitales p (l=1) están formados por dos lóbulos idénticos que se proyectan a lo largo de un eje. La zona de unión de ambos lóbulos coincide con el núcleo atómico. Hay tres orbitales p (m=-1, m=0 y m=+1) de idéntica forma, que difieren sólo en su orientación a lo largo de los ejes x, y o z.
orbitales_p.jpg
Los orbitales d (l=2) también están formados por lóbulos. Hay cinco tipos de orbitales d (que corresponden a m=-2, -1, 0, 1, 2)
orbitales_d.jpg

Los orbitales f (l=3) también tienen un aspecto multilobular. Existen siete tipos de orbitales f (que corresponden a m=-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3).

 

 

 

orbitales_fa.jpg

 

Una vez descritos los cuatro número cuánticos, podemos utilizarlos para describir la estructura electrónica del átomo de hidrógeno:

El electrón de un átomo de hidrógeno en el estado fundamental se encuentra en el nivel de energía más bajo, es decir, n=1, y dado que la primera capa principal contiene sólo un orbital s, el número cuántico orbital es l=0. El único valor posible para el número cuántico magnético es ml=0. Cualquiera de los dos estados de spin son posibles para el electrón. Así podríamos decir que el electrón de un átomo de hidrógeno en el estado fundamental está en el orbital 1s, o que es un electrón 1s, y se representa mediante la notación: 1s1 en donde el superíndice 1 indica un electrón en el orbital 1s. Ambos estados de espín están permitidos, pero no designamos el estado de espín en esta notación.

Pero volvamos a la espintrónica. Otro problema de gran interés en este nuevo campo es el diseño de una nueva generación de transistores basados en el proceso de espín electrónico, los cuales deben combinar materiales ferromagnéticos y semiconductores. Para este fin, es fundamental optimizar los procesos de inyección de corrientes polarizadas de espín en semiconductores y por ello existe una gran actividad investigadora en los llamados semicondcutores magnéticos diluidos que parecen sistemas muy prometedores. Además, los fenómenos inducidos por el transporte de corrientes polarizadas de espín, tales como transferencia de momento angular del espín, la inversión de la imanación y el movimiento de paredes de dominio, son fundamentales en el diseño de nuevos dispositivos espintrónicos (generación de microondas, memorias magnéticas no volátiles…).

Por lo que hace referencia a estas temáticas, los materiales que se están estudiando en España se centran principalmente en heteroestructuras por capas delgadas y abarcan desde los óxidos magnéticos con estructuras derivadas de la perovskita hasta materiales conductores, tales como la magnetita (donde se ha estudiado los efectos magnetorresistivos y el efecto Hall anómola en capas epitaxiales) y las aleaciones tipo Heuxler, incluyendo también semiconductores magnéticos diluidos, como por ejemplo Mn-SnO2 y Mn-GaAs.

Finalmente, hay algunos grupos trabajando en el diseño y desarrollo de nuevos dispositivos magnetoelectrónicos para aplicaciones; por ejemplo, biosensores magnetorresistivos que miden la concentración de nanopartículas magnéticas conjugadas las cuales etiquetan la hibridación con un determinado analito, y nano-dispositivos de tipo nanohilos magnéticos y contactos magnéticos atómicos, fabricados mediante técnicas litográficas de haces de iones y electrones.
Materiales masivos
Materiales amorfos y nanocristalinos
Los materiales FM amorfos (vidrios metálicos) y nanocristalinos magnéticamente blandos, de base Fe o Co y fabricados en forma de polvos, cintas, hilos o microhilos mediante aleado mecánico o técnicas de enfriamiento ultrarrápido, han sido objeto de estudio durante las últimas décadas, tanto por sus importantes aplicaciones tecnológicas en dispositivos electromagnéticos y de alta frecuencia, como por la variada fenomenología que presentan. Las problemáticas más importantes abordan aspectos relativos a:
1. El procesado mediante diversas técnicas (tratamientos térmicos bajo tensión, campo magnético, etc.).
2. La dinámica de movimiento de paredes, proceso de imaginación biestable, fluctuaciones del campo de inversión y coercitividad.
3. Las propiedades magnetoelásticas, magnetocalóricas y de magnetotransporte (térmico o electrónico).
4. El comportamiento electromagnético en alta frecuencia de micro-nanohilos y metamateriales (magnetoimpedancia, resonancia                  ferromagnética).
5. Las aplicaciones como sensores y actuadores magnéticos, y tecnología inalámbrica.
Archivo:Cristaliz.PNG
Formas y propiedades del cristal.
Un punto crucial en las aleaciones amorfas y nanocristalinas es la caracterización de la interrelación entre la microestructura y sus propiedades magnéticas y, en particular, la anisotropía magnética. Una de las características mejoradas de los materiales nanocristalinos respecto a los amorfos clásicos es el reducido valor de la anisotropía magnética y como su valor puede variarse mediante la nanoestructuración.
La producción y caracterización de aleaciones de base Fe o Co, obtenidas mediante aleado mecánico en forma de polvo a partir de precursores elementales o de trozos de cintas previamente preparadas por solidificación rápida, se caracterizan por sus buenas propiedades magnéticas y son de interés para la industria pulvimetalúrgica. La optimización de los tratamientos térmicos permite obtener materiales con la nanoestructura deseada mediante un crecimiento cristalino controlado.
Materiales inteligentes

foto

 

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El acoplamiento entre las propiedades magnéticas y estructurales de los compuestos intermetalicos TR5 (GexSi1-x)4 con TR= Gd, Tb, Ho, Nd y Er ha despertado gran interés por su posible utilización en refrigeración magnética debido al efecto magnetocalórico gigante. Estos sistemas se caracterizan por la existencia de un intenso acoplamiento magnetoelástico que permite inducir las transiciones estructurales mediante la aplicación de un campo magnético externo, pudiendo así aprovechar el elevado cambio entrópico asociado al calor latente de la transición. De hecho, estos materiales son paradigmáticos por lo que respecta al fuerte acoplamiento entre los grados de libertad estructurales y magnéticos. Por ejemplo, es también posible inducir la transición estructural y el cambio asociado en el estado magnético mediante la aplicación de presión. En estos sistemas, la coexistencia de interacciones FM y AFM va más allá de la frustración magnética típica de los vidrios de espines y da lugar a un estado magnético fuertemente inhomogéneo, conteniendo regiones con orden de corto alcance que compiten por establecer estados FM y AFM de largo alcance en el sistema. De esta forma, el estado magnético del sistema se encuentra en un estado de equilibrio inestable que puede ser modificado fácilmente por la aplicación de una fuerza externa. Por ejemplo, un problema con importantes implicaciones básicas es la aparición de fases Griffiths en algunos de estos compuestos.
Las aleaciones de tipo Heusler de los sistemas Ni-Mn-(Ga, In, Sn) son materiales que presentan efectos magnéticos tanto magnetocalórico como de memoria de forma. Estos últimos son también consecuencia del acoplamiento de los grados de libertad estructurales y magnéticos en aleaciones FM que sufren una transición martensítica a una temperatura inferior a la temperatura de Curie. Para composiciones cercanas a la estequiométrica, estas aleaciones son los materiales prototípicos. La transición martensític se produce en el estado FM desde una estructura cúbica a una fase martensítica tetragonal, en la cual existen diversas variantes (maclas) para los dominios cristalográficos que pueden ser reorientadas bajo la aplicación de campos magnéticos moderados. Consecuentemente, la transición martensítica tiene lugar entre dos estados FM con estructuras de dominios magnéticos diferentes, de manera que el salto en la imanación está controlado por el acoplamiento magnetoelástico en la escala mesoscópica de las variantes martensíticas. Para ciertas composiciones, dicho salto produce efecto magnetocalórico gigante a campos moderados. En España, varios grupos de investigación están trabajando en estos materiales preparados en forma de monocristales, policristales, capas delgadas y cintas.
Intermetálicos
Variación del límite elástico con la temperatura para diferentes contenidos de Al.
Ciertas tierras raras metálicas, Ce, Eu e Yb, cuando se las alea con otros elementos, principalmente Cu, Al, B, Ge, Sn, Pd, Ni, Fe, Co, formando compuestos intermetálicos ternarios y cuaternarios, dan origen a una fuerte correlación (de canje y de Coulomb) entre las bandas 4f y de conducción (5d16s2), lo que da lugar a los fenómenos de valencia fluctuante, fermión pesado y efecto Kondo (local y de red), debido a cierta inestabilidad de la capa magnética 4f. Aparece también magnetoestricción asociada al acoplamiento magnetoelástico, el origen de la cual está todavía en discusión. En concreto, en este tema, se está analizando el comportamiento de valencia fluctuante y de fermiones pesados que muestra la serie Ce-Ni-Sn-Ge, el magnetismo itenerante en Y2Fe17 y Y2Fe14B, y la mezcla de comportamiento de fermiones pesados y superconductividad en la serie de compuestos intermetálicos CeXT3, con X = Ru, Rh, Au, Ag, Pt, Pd, Cu y Ni, y T = Sn y Al.
El recorrido podría ser mucho más largo. Sin embargo, está claro que, para el personal no versado en estos temas, podría ser tedioso y terminar por cansar. Sin embargo, he querido dejar aquí hoy un resumen de este trabajo tan bien estructurado por Xavier Batle y Amílcar Labarta que, fue pubblicado en el número 4 del Volumen 23, en el Año 2009 por la Revista Española de Física. Se nos habla de las muchas posibilidades que tenemos en lograr grandes victorias mediante el estudio de las propiedades de lo muy pequeño, y, desde luego, hay que estar de acuerdo en que, mucho de esta ciencia será lo que escriba nuestro futuro.
emilio silvera
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Esta entrada fue publicada el domingo, 22 de septiembre de 2013 a las 5:00 y está clasificada bajo: Ciencia futura. Puede hacer un seguimiento de los comentarios de esta entrada gracias al feed RSS 2.0. Puede dejar un comentario, o enviar un trackback desde su sitio.
 

  1. 1
    emilio silvera
    el 10 de abril del 2011 a las 7:11

    A estas alturas, no debemos tener duda alguna de que el futuro de toda nuestra tecnología está situado en el mundo microscópico, en la mecánica cuántica, en lo infinitesimal que, al fin y al cabo, es lo que conforma todo lo grande y, en el tema que arriba comentamos, donde el prefijo nano es el rey, es dónde reside todo lo maravilloso que vendrá. Nanociencia, Nanotecnología, Nanobiología, Nanofotónica, Nano, Nano, Nano…un interminable rosario en el que se antepone la singular palabra. En realidad, significar 10-9, es usado en el sistema métrico para denotar la fracción de antes que está referida a un nanosegundo. Sin embargo, se ha generalizado y lo mismo sirve para nombrar a los nanotubos, como para hacerlo con las nanomoléculas de carbono.
    Pero, vayamos a lo que importa, y, en relación al tema tratado, lo muy pequeño tendrá una importancia futura que ni podemos imaginar. Ya hoy en día es asombroso los adelantos que en este campo se han llevado a buen fin, y, las esperanzas de futuro son “infinitas” desde la utilización de esta técnica en la medicina (nanofármacos que se introducen en nuestra parte del cuerpo que está enfermo y cura, exactamente ese lugar, sin incidir en regiones saludables que, no pocas veces son afectadas por los medicamentos que tomamos y se reparte a través de la sangre por todo el organismo afectandolo todo) o, como en la robótica, en la que ya, se está pensando en construir un robor con cerebro espintrónico que será mucho más avanzado que todo lo hecho hasta el momento.
    Mucho se podría hablar de estas nuevas técnicas de la Nanociencia que, según todos los indicios, nos dará muchas alegrías y contribuirá a una vida más sana, un mundo mejor, y, también, a que en el espacio, se puedan resolver muchos de los problemas que ahora no tienen solución.

    Responder
  2. 2
    Fransua Almondùa
    el 18 de mayo del 2012 a las 16:34

    Hola, excelente artículo, hablando del magnetismo y sus futuras aplicaciones, observen el coche del futuro, el cual utiliza el electromagtismo de la tierra para poder levitarse.

    http://www.youtube.com/watch?v=JWh2qT9yiTo&feature=related
    http://www.youtube.com/watch?v=1sZ2_3r-njw

    Saludos amigos!!!

    Responder
  3. 3
    emilio silvera
    el 19 de mayo del 2012 a las 3:12

    Hola, Fransua:
    Me alegro de que te haya gustado el trabajo aquí presentado.
    Gracias por los enlaces.
    Saludos.

    Responder
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