🧲 En 2024 la física ganó un tercer tipo de imán. Pero venía con una trampa. Nadie sabía muy bien cómo usarlo. Un equipo de Tokio acaba de descubrir cómo gobernarlo, con un campo magnético apenas perceptible y un haz de neutrones para observar el cambio dentro del cristal.

Un imán que esconde su propio campo

Durante casi toda la historia del magnetismo hubo dos clases de imán, y solo dos.

Imagina el público de un estadio. En un ferroimán, todos miran hacia el mismo lado. Todos esos espines alineados se suman, y el material emite un campo magnético que se siente desde fuera. Es el imán de la nevera, y es lo que usa un disco duro para guardar un bit.

Ahora haz que una fila sí y otra no miren en sentido contrario. Visto desde fuera, el conjunto se cancela hasta quedar en cero. Eso es un antiferroimán: sin campo neto, muy estable y prácticamente inútil para guardar o mover información, porque no hay una dirección a la que agarrarse.

En 2024, los físicos confirmaron una tercera disposición que se niega a entrar en cualquiera de las dos cajas. En un altermagneto, los espines vecinos siguen apuntando en sentidos opuestos, así que desde fuera parece tan callado como un antiferroimán. Pero hay un giro, casi literal: el entorno cristalino que rodea a cada átomo está rotado respecto al del vecino, como si en el estadio un asiento de cada dos estuviera sobre una plataforma girada un cuarto de vuelta. Esa rotación oculta hace que los electrones de dentro sigan sintiendo una dirección preferente. El material puede empujar una corriente de espín como lo haría un ferroimán, sin apenas emitir campo hacia el exterior.

La función de un ferroimán, sin el campo que se le escapa a un ferroimán. Para quien intenta apretar las celdas de memoria unas contra otras, esa combinación se parece mucho a una lista de deseos.

Por qué el mundo se entusiasmó

Todo empieza en 2019. Un equipo conjunto de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (Alemania) y del Instituto de Física de Praga se topó con una corriente de momento intacta dentro de un antiferroimán que ninguna de las categorías existentes podía explicar, y dedujo a partir de la simetría de los espines que hacía falta una tercera clase de orden magnético. En 2021, Libor Šmejkal, Jairo Sinova y Tomáš Jungwirth lo propusieron como un tercer tipo fundamental de magnetismo y lo bautizaron altermagnetismo en un artículo del año siguiente. Durante varios años se quedó en una predicción sobre el papel.

Los experimentos llegaron en 2024. En febrero, un equipo internacional encabezado por la Academia Checa de Ciencias y el Instituto Paul Scherrer observó, mediante fotoemisión resuelta en ángulo en la Fuente de Luz Suiza, la estructura de bandas con espín desdoblado que exige el altermagnetismo. En diciembre, un equipo de la Universidad de Nottingham obtuvo por primera vez imágenes de los dominios a escala nanométrica, demostró que esta nueva clase de magnetismo se puede controlar en dispositivos microscópicos y apuntó a memorias magnéticas con potencial para funcionar hasta mil veces más rápido. Ambos trabajaron con telururo de manganeso, MnTe, cuya temperatura de Néel es de 307 K, algo por encima de la ambiente. Conviene retener ese nombre.

El campo se llenó de ruido de golpe. La revista Science incluyó el descubrimiento del altermagnetismo entre sus principales avances de física de 2024. (El Avance del Año fue lenacapavir, un fármaco de prevención del VIH; el altermagnetismo quedó como finalista.) Casi toda esta primera parte de la historia es europea.

La trampa que nadie lograba esquivar

Aquí es donde el entusiasmo choca con un muro.

El altermagneto de manual es pulcro. Un cristal real no lo es. Dentro de una muestra de verdad, esa dirección oculta apunta hacia un lado en unas regiones y hacia el lado contrario en otras. Los físicos llaman dominios a esas regiones, y son un problema, porque el efecto útil, la corriente de espín, se invierte junto con la dirección. Mezcla los dominios y sus corrientes de espín se anulan en tablas. Vuelves al cero, y el material no hace nada de provecho.

Así que, para usar de verdad un altermagneto, hay que poner de acuerdo a todos sus dominios. La herramienta evidente para alinear dominios magnéticos es un campo magnético. Pero es justo aquí donde el altermagneto se resiste: casi no tiene magnetización neta, de modo que el campo parece no tener nada que empujar. La misma propiedad que lo hace atractivo, su invisibilidad desde fuera, parecía volverlo también incontrolable.

Diagrama que compara los dominios ferromagnéticos, con una magnetización fuerte, con los dominios altermagnéticos del MnTe, donde los espines son antiparalelos pero el vector de Néel se alinea

Fuente: Instituto de Física del Estado Sólido, Universidad de Tokio

Cómo Tokio agarró lo inagarrable

El equipo que encontró un asidero estuvo dirigido por Takatsugu Masuda y Taro Nakajima, del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Tokio, en colaboración con la Organización de Investigación con Aceleradores de Alta Energía (KEK). El primer autor del artículo fue el estudiante de doctorado Zheyuan Liu.

La brecha estaba en una imperfección sutil. En el MnTe, los espines no son perfectamente antiparalelos. Se inclinan un pelo, y esa mínima inclinación deja a cada dominio con una levísima "ladera" magnética: un momento "ferromagnético débil" atado directamente a hacia dónde apunta el dominio. Por sí solo es demasiado pequeño para servir. Pero es algo a lo que un campo sí puede agarrarse.

Así que el equipo enfrió el cristal mientras aplicaba un campo magnético pequeño. A medida que el MnTe se asentaba en su orden magnético, esa débil inclinación se alineaba con el campo, y como está ligada al dominio, todo el dominio se alineaba con ella. El campo necesario fue solo del orden de un militesla, tan tenue que se puede generar con una simple bobina y muy por debajo de los campos que usa un escáner de resonancia magnética. Un problema que parecía exigir un cuarto lleno de imanes superconductores acabó necesitando casi nada.

Probar que los dominios se habían dado la vuelta de verdad fue la mitad más difícil, porque un dominio no se ve a simple vista. Aquí el equipo recurrió a una herramienta en la que Japón destaca: los neutrones. En el reactor de investigación JRR-3, en un instrumento de neutrones polarizados llamado PONTA, dispararon neutrones con el espín alineado a través del cristal. Un neutrón se dispersa tanto en los núcleos atómicos como en los espines de los electrones, y con neutrones polarizados se puede captar la interferencia entre esos dos ecos. Lo decisivo: esa interferencia cambia de signo según hacia dónde esté orientado un dominio. Cuando los investigadores invirtieron el campo de enfriamiento, la señal de interferencia invirtió su signo en el momento justo. Prueba directa de que los dominios habían girado. No todos, eso sí: el artículo reporta un desequilibrio de dominios de apenas un 12%, lejos todavía de un cristal de dominio único.

Un número remata el argumento. El campo que se fuga de ese momento débil midió alrededor de 10⁻³ militeslas, frente a unos 10 militeslas de un ferroimán típico. Es un factor de unas diez mil veces menor. Obtienes el mando de un ferroimán sin casi nada del campo que normalmente se derrama y emborrona a los vecinos.

Qué cambia en realidad

Conviene ser preciso con lo que ocurrió y lo que no. El descubrimiento del altermagnetismo es europeo. La cifra de las mil veces es una esperanza de todo el campo, tomada de aquel trabajo de imágenes de 2024, y no un resultado que este artículo haya medido. Y esto es investigación básica: no hay ningún chip de memoria altermagnética, ni un calendario para fabricarlo.

Lo que el equipo de Tokio y KEK consiguió fue retirar uno de los obstáculos centrales del campo. Demostraron que los dominios de un altermagneto se pueden fijar con un campo magnético diminuto y barato, y que ese cambio se puede confirmar directamente con neutrones, todo ello mientras el material conserva ese campo externo casi nulo que lo hacía interesante desde el principio. Los argumentos de simetría sugieren que ese mismo asidero ferromagnético débil debería existir en muchos otros altermagnetos, no solo en el MnTe, y ya se ha observado ferromagnetismo débil espontáneo en FeS, Mn5Si3 y CoF2. Eso es lo que convierte una medición ingeniosa en una receta general. El mundo pasó 2024 maravillándose de que existiera un tercer imán. Esto es un paso para ponerlo a trabajar.

A veces una categoría entera que dábamos por cerrada esconde una tercera opción. ¿En qué herramientas de tu día a día podría haber un "tercer imán" que nadie ha pensado todavía en buscar?

Referencias