Un motor de cuatro tiempos para los átomos

Volver al principio en cuatro pasos: Un nuevo fenómeno abre interesantes posibilidades

08.07.2022 - Austria

Encender y apagar algo suele devolverlo a su estado original. Sin embargo, un nuevo material magnético tiene que ser cambiado cuatro veces, mientras que el giro de los átomos se mueve una vez en un círculo.

Si se conmuta un bit en la memoria de un ordenador y se vuelve a conmutar, se ha restaurado el estado original. Sólo hay dos estados que pueden llamarse "0 y 1".

Sin embargo, ahora se ha descubierto un efecto sorprendente en la Universidad Técnica de Viena: En un cristal basado en óxidos de gadolinio y manganeso, se ha encontrado un interruptor atómico que debe conmutarse hacia delante y hacia atrás no sólo una vez, sino dos veces, hasta que se alcanza de nuevo el estado original. Durante este doble proceso de encendido y apagado, el espín de los átomos de gadolinio realiza una rotación completa. Esto recuerda a un cigüeñal, en el que un movimiento ascendente y descendente se convierte en un movimiento circular.

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Este nuevo fenómeno abre interesantes posibilidades en la física de materiales, incluso se podría almacenar información con estos sistemas. El extraño interruptor atómico se ha presentado ahora en la revista científica "Nature".

Acoplamiento de las propiedades eléctricas y magnéticas

Normalmente, se distingue entre las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales. Las propiedades eléctricas se basan en el hecho de que los portadores de carga se mueven -por ejemplo, electrones que viajan a través de un metal o iones cuya posición se desplaza-.

Las propiedades magnéticas, en cambio, están estrechamente relacionadas con el espín de los átomos, es decir, el momento angular intrínseco de la partícula, que puede apuntar en una dirección muy concreta, al igual que el eje de rotación de la Tierra apunta en una dirección muy concreta.

Sin embargo, también hay materiales en los que los fenómenos eléctricos y magnéticos están muy acoplados. El profesor Andrei Pimenov y su equipo del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Viena están investigando este tipo de materiales. "Expusimos un material especial hecho de gadolinio, manganeso y oxígeno a un campo magnético y medimos cómo cambiaba su polarización eléctrica en el proceso", dice Andrei Pimenov. "Queríamos analizar cómo pueden cambiar las propiedades eléctricas del material por el magnetismo. Y, sorprendentemente, nos encontramos con un comportamiento totalmente imprevisto".

Volver al principio en cuatro pasos

Al principio, el material está polarizado eléctricamente: por un lado está cargado positivamente y por el otro negativamente. A continuación, se enciende un fuerte campo magnético y la polarización cambia muy poco. Sin embargo, si se vuelve a desconectar el campo magnético, se produce un cambio drástico: la polarización se invierte de repente: El lado que antes estaba cargado positivamente ahora está cargado negativamente, y viceversa.

Ahora puedes repetir el mismo proceso por segunda vez: Una vez más, se enciende el campo magnético y la polarización eléctrica permanece aproximadamente constante. Si se apaga el campo magnético, la polarización se invierte de nuevo y vuelve a su estado original.

"Esto es extremadamente notable", dice Andrei Pimenov. "Realizamos cuatro pasos diferentes, cada vez que el material cambia sus propiedades internas, pero sólo dos veces cambia la polarización, por lo que se alcanza el estado inicial sólo después del cuarto paso".

Motor de cuatro tiempos para el gadolinio

Un examen más detallado muestra que los átomos de gadolinio son los responsables de este comportamiento: Cambian su dirección de giro en cada uno de los cuatro pasos, cada vez en 90 grados. "En cierto sentido, es un motor de cuatro tiempos para los átomos", dice Andrei Pimenov. "También en un motor de cuatro tiempos se necesitan cuatro pasos para volver al estado inicial, y el cilindro sube y baja dos veces en el proceso. En nuestro caso, el campo magnético sube y baja dos veces antes de que se restablezca el estado inicial y el espín de los átomos de gadolinio vuelva a apuntar en la dirección original".

En teoría, estos materiales podrían utilizarse para almacenar información: un sistema con cuatro estados posibles tendría una capacidad de almacenamiento de dos bits por interruptor, en lugar del habitual de un bit de información para el "0" o el "1". Pero el efecto también es especialmente interesante para la tecnología de sensores: por ejemplo, se podría producir un contador de pulsos magnéticos de esta manera. El efecto proporciona nuevas e importantes aportaciones a la investigación teórica: es otro ejemplo del llamado "efecto topológico", una clase de efectos materiales que lleva años atrayendo mucha atención en la física del estado sólido y que debería permitir el desarrollo de nuevos materiales.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.