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Alterando sutilmente ciertas interacciones cuánticas en la materia, científicos de la Universidad de Leeds han mostrado por vez primera cómo generar magnetismo en metales que no son normalmente magnéticos. Los imanes sintéticos podrían ser una realidad usando esta técnica que podría reducir un día nuestra dependencia a metales raros o tóxicos en cosas tales como turbinas de viento, discos duros y dispositivos de imágenes médicas que usen campos magnéticos.

“El ser capaz de generar magnetismo en materiales que no son magnéticos por naturaleza abre un nuevo camino a dispositivos que usan elementos abundantes y de poco riesgo, tales como el carbón y el cobre”, dice el estudiante posgraduado Farma Sl Ma’Mari, de la escuela de física y astronomía de la Universidad de Leeds.

Ordinariamente hay solamente tres clases de metales que son ferromagnéticos, esto es, que son capaces de hacerse magnéticos en presencia de campos magnéticos y mantenerse así hasta que el campo es eliminado, a temperatura ambiente. Estos son el acero, el cobalto y el níquel. La razón detrás de este limitado número de materiales ferromagnéticos es debido a una condición atómica conocida como el criterio de Stoner, que determina la distribución de electrones en un átomo y la fuerza de sus interacciones.

Específicamente el criterio de Stoner dicta que cuando el número de diferentes estados que se le permiten al electrón ocupan órbitas alrededor del núcleo de un átomo, son multiplicadas por la interacción de intercambio aplicable, esto es, la interacción entre los electrones atados dentro del átomo y relativos al spin de cada electrón en el estado mecánico cuántico de “up” o “down, entonces el resultado debe ser mayor que uno para que el metal se considere ferromagnético.

En pocas palabras, si uno piensa que un electrón tiene una carga y un campo magnético, entonces los metales ordinarios son iguales en cantidades de electrones por pares (esto es, donde el criterio de Stoner es igual a cero), lo que cancela efectivamente el campo magnético de cada uno de ellos, dejando al material neutral magnéticamente.

Sin embargo, en los materiales ferromagnéticos, donde hay más de un electrón “no par” (o sea, no en parejas), donde entonces el criterio de Stoner es mayor que uno, los campos magnéticos se cancelan ordinariamente por sus electrones orientados opuestos cuando se les permite existir. De tal forma, cada electrón sin su par puede decirse que actúa como un pequeñísimo imán y, cuando hay muchos electrones así en los materiales, dan un campo magnético promedio al metal en donde residen.

Al contrario de otros materiales magnéticos que han sido alterados en sus propiedades añadiendo sustancias no magnéticas, tales como los magnetos “no-julianos”, en la última investigación de la Universidad de Leeds, los científicos han demostrado cómo pueden alterar la interacción de intercambio en los metales no magnéticos quitando material. O para ser más específicos, removiendo electrones. Al lograr esto, logran que el criterio de Stoner se vaya por encima de la unidad y entonces el material se magnetiza.

Los investigadores han podido alterar el cobre y el manganeso haciéndolos ferromagnéticos añadiendo C60 y removiendo un número de electrones. Y aunque la fuerza magnética es pequeña comparada con la que se ve en los metales ferromagnéticos tradicionales, los materiales sintéticos despliegan estas propiedades a temperatura ambiente. Esto es un avance extra pues muchos materiales raros logran estas propiedades cerca del cero absoluto. Los descubrimientos en Leeds podrían llevar eventualmente a aplicaciones con imanes sintéticos en el mundo cotidiano y real.

El resultado de esta investigación fue publicada recientemente en Nature.

Referencia:

Universidad de Leeds 
Gizmag 

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