Durante los años 30, dos físicos alemanes —Arnold Sommerfeld y Hans Bethe— desarrollaron una idea que parecía destinada a convertirse en un concepto menor de la física del magnetismo. Plantearon que, en algunos materiales, las fuerzas magnéticas entre átomos podían alterar mínimamente las distancias entre ellos. La llamaron interacción de intercambio según Bethe-Slater, y quedó archivada en manuales avanzados de física del estado sólido, sin demasiadas aplicaciones prácticas conocidas. ¿Qué es el estiramiento cuántico?, de eso va este artículo.
Casi un siglo después, un equipo de la Universidad de St Andrews, en Escocia, ha rescatado esta teoría del fondo del cajón. Pero no lo han hecho con una tiza y una pizarra: lo han conseguido en un laboratorio cuántico silencioso hasta el extremo, capaz de detectar movimientos de átomos de apenas unos cientos de femtómetros. Su experimento ha demostrado que la predicción era cierta. Y no solo eso: el efecto observado fue mucho mayor de lo esperado, reabriendo líneas de investigación que cruzan la física fundamental, los materiales cuánticos y la computación del futuro.
Un material cuántico que se estira solo por cambiar el magnetismo
El hallazgo se ha producido en un material muy especial: el Sr₄Ru₃O₁₀, un óxido metálico con propiedades ferromagnéticas y una estructura en capas. Este tipo de compuestos son conocidos por su comportamiento cuántico colectivo y por presentar fenómenos difíciles de anticipar. Pero en este caso, lo que sorprendió a los científicos fue lo que ocurrió al modificar la orientación de los momentos magnéticos en las capas más superficiales del material.
Al alinear o desalinear magnéticamente estas capas respecto al interior, el material se estiró o contrajo levemente. Un efecto llamado magnetoelasticidad, que normalmente es muy débil y apenas detectable. Pero aquí no fue así. El cambio estructural fue tan intenso que se consideró un ejemplo de “magnetostricción gigante” inducida por el intercambio magnético, algo inédito en un material de este tipo.
El equipo usó técnicas de microscopía de efecto túnel a temperaturas ultrabajas, en entornos sin apenas vibración ni ruido. Estas condiciones extremas fueron necesarias para detectar desplazamientos de átomos inferiores a un picómetro. “Nuestros resultados permiten una medición directa del impacto de las interacciones de intercambio y las correlaciones en los detalles estructurales de un material cuántico”, escriben los autores.
Qué es la curva de Bethe-Slater y por qué es clave
La teoría de Bethe y Slater propone que la energía de intercambio entre átomos varía con la distancia. En materiales metálicos, esto determina si el estado magnético más estable es ferromagnético (espines paralelos) o antiferromagnético (espines antiparalelos). A medida que cambia la distancia entre átomos, la energía asociada al intercambio también cambia. Esta idea se suele representar con una curva, la famosa curva de Bethe-Slater.
En este experimento, los investigadores observaron que cuando las capas magnéticas de la superficie del material estaban alineadas en sentido contrario a las del interior, aparecía una fuerza de intercambio que las empujaba y alteraba la distancia entre ellas. “Detectamos un cambio en la altura de la superficie de aproximadamente 500 femtómetros cuando cambia la magnetización”, explican en el artículo.
Este efecto, que en otros materiales suele ser diminuto, aquí fue casi diez veces mayor que lo predicho por los modelos teóricos convencionales basados en DFT (teoría del funcional de la densidad). Según los autores, esto demuestra que las correlaciones electrónicas tienen un papel mucho más importante de lo que se pensaba.
Controlar la magnetización capa por capa
Uno de los aspectos más novedosos del trabajo es que el equipo fue capaz de controlar de forma independiente la magnetización de la capa superficial respecto al resto del material. Esto permitió realizar comparaciones precisas entre diferentes configuraciones magnéticas y ver cómo respondía la estructura atómica ante cada una.
Mediante espectroscopía de túnel, los científicos identificaron cambios sutiles en los estados electrónicos del material al modificar el campo magnético aplicado. En algunos casos, detectaron saltos de energía de hasta 750 microelectronvoltios al invertir la magnetización de la capa superficial, lo que les permitió cuantificar directamente la energía de intercambio implicada en el proceso.
Además, observaron que la inversión magnética de la superficie ocurre a campos mucho mayores que los necesarios para cambiar la del interior, lo que sugiere que las impurezas o defectos estructurales actúan como “puntos de anclaje” de los dominios magnéticos en la superficie. Esta diferencia de comportamiento entre superficie y volumen es crucial para comprender cómo responden los materiales en escalas nanométricas.
¿Por qué es importante el estiramiento cuántico?
La magnetoelasticidad, aunque pueda parecer una curiosidad de laboratorio, tiene implicaciones prácticas en tecnologías emergentes. Por ejemplo, podría permitir desarrollar sensores ultra precisos o dispositivos de almacenamiento de datos que lean información no con corriente eléctrica, sino midiendo cambios estructurales.
Además, este descubrimiento aporta una herramienta experimental muy valiosa para estudiar las correlaciones electrónicas, un aspecto clave en fenómenos como la superconductividad de alta temperatura, cuya explicación aún plantea incógnitas. Según los investigadores, este tipo de experimentos permiten probar modelos teóricos y ajustar simulaciones que hasta ahora no reflejaban adecuadamente el comportamiento real de los materiales cuánticos.
Finalmente, el hecho de que este fenómeno se haya observado en un material cuasi bidimensional, con una estructura en capas muy marcada, puede abrir nuevas vías para entender cómo se comporta el magnetismo en materiales 2D. Esto es relevante para campos como la espintrónica o el desarrollo de nuevos superconductores.
Lo que tienes que saber sobre el estiramiento cuántico y la teoría olvidada de 1930
- Se ha observado un fenómeno inédito: un material cuántico cambia su forma al modificar su magnetismo, estirándose o contrayéndose de manera detectable.
- ¿Qué es el estiramiento cuántico? Es un cambio en la estructura de un material causado por la orientación de sus átomos magnéticos, que confirma una predicción formulada hace casi 100 años.
- Este cambio es provocado por el acoplamiento entre magnetismo y estructura atómica, un efecto conocido como magnetostricción, que en este caso alcanza una magnitud excepcional.
- El equipo investigador ha logrado medir desplazamientos inferiores a un picómetro, utilizando microscopios que operan a temperaturas cercanas al cero absoluto y en entornos sin vibraciones.
- El fenómeno observado valida experimentalmente la curva de Bethe-Slater, una teoría de los años 30 que hasta ahora no había podido comprobarse con esta precisión.
- Gracias al diseño del experimento, los científicos pudieron controlar la magnetización de la superficie del material por separado, observando cómo esto afecta directamente su estructura.
- El cambio estructural observado es mucho mayor de lo previsto por los modelos teóricos actuales, lo que indica que las interacciones entre electrones juegan un papel más potente de lo estimado.
Referencias
Cortesía de Muy Interesante
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