Aunque no solemos pensar en ello, cada vez que usamos un dispositivo electrónico—ya sea un teléfono, un portátil o una memoria USB—una parte de la energía se pierde en forma de calor. Esa pérdida no solo limita la eficiencia, sino que impone un techo a la miniaturización de la tecnología. En este contexto, un grupo de investigadores ha descubierto un fenómeno físico que podría cambiar las reglas del juego: un nuevo tipo de Efecto Hall, no basado en cargas eléctricas, sino en corrientes de espín. Y sí, este hallazgo abre la puerta a dispositivos que funcionen sin generar apenas calor. Y es que el efecto Hall no deja de sorprendernos. Una y otra vez.
La investigación, firmada por Luke Wernert, Bastián Pradenas, Oleg Tchernyshyov y Hua Chen, explora un tipo especial de materiales magnéticos llamados antiferromagnetos no colineales. El estudio fue publicado en la revista Physical Review Letters y propone la existencia de una propiedad física hasta ahora desconocida: la masa Hall. Este concepto permite describir cómo ciertas ondas de espín pueden desviarse de su trayectoria, al estilo del Efecto Hall clásico, pero sin necesidad de una corriente eléctrica.
¿Qué es exactamente el nuevo Efecto Hall?
El Efecto Hall tradicional, descubierto en 1879 por Edwin Hall, describe cómo una corriente eléctrica puede desviarse perpendicularmente cuando pasa por un material sometido a un campo magnético. Es un efecto bien conocido y se utiliza en sensores de velocidad o detectores de movimiento. Pero el fenómeno descrito en este nuevo trabajo es diferente: en lugar de corriente eléctrica, lo que se desvía es el espín de los electrones.
En los antiferromagnetos no colineales, los espines de los electrones no se alinean de forma simple, como ocurre en los imanes normales. Aquí, los espines apuntan en direcciones distintas pero se equilibran entre sí, sin dejar un campo magnético neto. Esta disposición compleja permite que las ondas de espín, conocidas como magnones, se comporten de forma muy diferente. En palabras del paper, “una componente Hall de la corriente de espín puede generarse de forma genérica por una fuerza longitudinal asociada a una onda de espín propagada”.
Este comportamiento recuerda al Efecto Hall, pero trasladado al mundo del espín. Y no es una simple curiosidad: implica que se pueden generar corrientes de información sin mover electrones, lo que reduce drásticamente la generación de calor.
La masa Hall: un nuevo parámetro físico
Para entender y describir esta desviación de los espines, los investigadores introducen un nuevo concepto: la masa Hall. Es una forma de cuantificar cómo los espines se desvían en presencia de ciertas condiciones dentro del material. Se trata de un tensor de cuarto orden, es decir, una estructura matemática compleja que recoge las relaciones entre diferentes direcciones del espín y del espacio.
Lo interesante de esta masa Hall es que no depende de la estructura cristalina del material, lo que significa que también se manifiesta en materiales amorfos o desordenados. Tal como explican los autores, “la masa Hall es generalmente distinta de cero en cualquier antiferromagneto no colineal”. Esto abre la puerta a su aplicación en una enorme variedad de materiales, no solo en compuestos altamente ordenados como Mn₃Ir o Mn₃Sn, que suelen usarse en laboratorios.
Además, se demuestra que la masa Hall genera modos de onda de espín transversales, es decir, que las oscilaciones se propagan en una dirección mientras vibran en otra, como ocurre en las ondas sísmicas o en las del sonido. Esto es clave para desarrollar circuitos que puedan manejar señales magnéticas con precisión y eficiencia.
Un experimento clave: la interfaz FM-AFM
Una parte destacada del trabajo es la simulación de un sistema compuesto por dos capas de materiales diferentes: un ferromagneto y un antiferromagneto no colineal, ambos dispuestos sobre una red tipo kagome. Al aplicar un campo magnético alterno sobre el lado ferromagnético, se generan ondas de espín que viajan hacia el antiferromagneto.
En esta configuración, los investigadores observaron que la corriente de espín se desviaba lateralmente al cruzar la interfaz, lo cual constituye una prueba numérica del nuevo efecto Hall basado en espín. Según el artículo, “la corriente de espín Hall se origina en los componentes fuera de la diagonal del tensor de masa inversa en el Lagrangiano del continuo”.
Este resultado es importante porque demuestra que la masa Hall no es solo un concepto teórico, sino que puede medirse y observarse a través de configuraciones realistas, como interfaces en materiales multicapa. Esto da confianza para avanzar hacia experimentos físicos que lo corroboren.
Aplicaciones potenciales: la promesa de la espintrónica
La tecnología que podría beneficiarse más de este hallazgo es la espintrónica, una rama emergente de la electrónica que trabaja con espín en lugar de carga. A diferencia de los dispositivos actuales, que generan calor por la resistencia eléctrica, los dispositivos spintrónicos pueden transmitir información sin esa pérdida energética.
Según el paper, las ondas de espín circularmente polarizadas son las que transportan espín de forma eficiente: “las ondas de espín AFM linealmente polarizadas… no pueden transportar espín” . Sin embargo, gracias a la estructura del material, es posible generar modos circulares que sí lo hacen, y estos son precisamente los que dan lugar al nuevo Efecto Hall.
Esto significa que podríamos tener memorias magnéticas más rápidas, dispositivos resistentes a interferencias externas, e incluso nuevas formas de procesar datos sin necesidad de semiconductores tradicionales. El control de estas corrientes de espín permitiría dispositivos más pequeños, rápidos y fríos, algo muy deseado en un contexto donde los límites físicos de la miniaturización se están alcanzando.
Cómo detectar el nuevo efecto
Los autores del estudio proponen dos estrategias para detectar experimentalmente la masa Hall. La primera consiste en generar ondas de espín circularmente polarizadas mediante campos magnéticos en ferromagnetos, y observar si aparecen corrientes de espín transversales en los antiferromagnetos adyacentes. La segunda es usar técnicas de dispersión de neutrones o rayos X, que permiten ver la diferencia en velocidades entre los modos longitudinales y transversales de las ondas de espín.
Ambas vías están al alcance de los laboratorios actuales, por lo que no se trata de una teoría lejana o especulativa. Con los materiales adecuados y condiciones controladas, este nuevo Efecto Hall podría observarse directamente en el laboratorio, abriendo la puerta a toda una generación de tecnologías basadas en espín.
¿Y ahora qué?
Este descubrimiento es un buen ejemplo de cómo los avances en física teórica pueden tener un impacto directo en la tecnología del futuro. Al describir un nuevo tipo de corriente de espín, y hacerlo con rigor matemático y físico, los autores han proporcionado una herramienta conceptual potente para desarrollar la próxima generación de dispositivos electrónicos.
Aunque queda camino por recorrer, el concepto de masa Hall ya permite imaginar nuevas arquitecturas de almacenamiento, procesamiento de datos y transmisión de señales. Reducir el calor, aumentar la eficiencia y superar los límites de la electrónica convencional son metas cada vez más urgentes, y la spintrónica se perfila como una solución prometedora. Este nuevo Efecto Hall podría ser una de las claves para lograrlo.
Referencias
- Luke Wernert, Bastián Pradenas, Oleg Tchernyshyov, Hua Chen, Hall Mass and Transverse Noether Spin Currents in Noncollinear Antiferromagnets, Physical Review Letters, 3 de enero de 2025. DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.016706.
Cortesía de Muy Interesante
Dejanos un comentario: