El titanio y el oro no son magnéticos -a no ser que los combines de la forma adecuada.

Los científicos de la Universidad de Rice lo hicieron y descubrieron lo que es una primicia en su género: un metal antiferromagnético itinerante -TiAu- fabricado a partir de elementos constitutivos no magnéticos.

Si bien los usos de este imán en particular aún no se han determinado, el descubrimiento podría mejorar la comprensión científica del magnetismo.

Un artículo de acceso abierto sobre la investigación aparece en Nature Communications.

Temperaturas muy frías

Este no es el tipo de imán que se pegaría a un frigorífico. El orden magnético sólo aparece en el TiAu cuando el metal se enfría a 36 kelvins, unos 395 grados Fahrenheit bajo cero.

«La magnetización es una función de la temperatura», dice el autor principal, Eteri Svanidze. «La temperatura de ordenación del imán aparece como una anomalía en la curva suave que vemos en esas mediciones de magnetización».

Para los imanes comunes, esa temperatura suele ser de cientos de grados Fahrenheit, mucho más caliente que cualquier cocina. Pero la escala de energía y temperatura en los imanes no convencionales, como los pocos que no tienen elementos magnéticos, se reducen drásticamente.

Svanidze dice que los imanes mejorarán los estudios de otra física importante, como las transiciones de fase (como la de sólido a líquido o la de líquido a gas) que tienen lugar en el cero absoluto, llamadas transiciones de fase cuánticas.

50 años después

TiAu es sólo el tercer metal magnético itinerante conocido hecho sin elementos magnéticos. Los otros dos, ambos ferromagnéticos que activan su orden magnético a temperaturas aún más frías que el TiAu, fueron descubiertos hace medio siglo. Parte de la razón de la larga brecha es que el TiAu es difícil de fabricar.

«Cuando empezamos a buscar, descubrimos por qué habían pasado 50 años sin ningún descubrimiento adicional», dice la física de Rice Emilia Morosan. «La mayoría de los otros posibles candidatos eran problemáticos de un modo u otro. Eran difíciles de fabricar, químicamente inestables, tóxicos o requerían una temperatura elevada que no era accesible en el laboratorio».

«Tuvimos que descartar muchos compuestos candidatos», añade Svanidze, que trabajó en el proyecto durante seis años como estudiante de posgrado de Rice.

Pero los cálculos de la estructura electrónica mostraron que una mezcla 1 a 1 de titanio y oro podría tener las propiedades que buscaban.

«No se trata de un material nuevo», dice Svanidze. «Lo que encontramos son sus propiedades magnéticas, y ahí es donde entra la física interesante».

Los extremos magnéticos

Los materiales suelen volverse magnéticos cuando se exponen a un campo que hace que los momentos magnéticos de sus átomos se alineen. Piense en cada átomo o ion como un pequeño imán autónomo que puede alinearse con los iones magnéticos vecinos, como la aguja de una brújula.

El momento magnético de un material puede ser local (ligado a un átomo específico) o itinerante (no ligado a un solo átomo). Los itinerantes pueden extender su influencia sobre más de un átomo, facilitando la comunicación entre sus estados de espín «arriba» o «abajo». También permiten cosas útiles como la conductividad eléctrica en los metales.

Los momentos atómicos en los ferromagnetos de momento local -es decir, los materiales magnéticos comunes- alinean todos sus espines en la misma dirección. En un antiferromagneto, los momentos atómicos se alinean en direcciones opuestas.

Morosan dice que es importante conocer estos extremos en el comportamiento magnético.

«Teóricamente entendemos bastante bien el magnetismo de momento local, y tenemos cierta comprensión del momento itinerante, pero la mayoría de los sistemas verdaderos realmente viven en medio», dice. «Tenemos que comprender los extremos para entender la física de lo que ocurre en el medio».

«Creo que lo más significativo es que este fenómeno es muy raro», dice Jiakui Wang, otro estudiante graduado del laboratorio Morosan y coautor del artículo. «Es la primera vez que se descubre un material antiferromagnético de este tipo, así que es fundamentalmente significativo. Hace que nuestra comprensión del magnetismo sea más profunda».

Morosan dice que los descubrimientos científicos básicos a menudo necesitan tiempo para generar aplicaciones.

«Mi esperanza es que con el tiempo podamos encontrar suficientes sistemas de este tipo para entenderlos mejor. Entonces sabremos a qué nos enfrentamos para poder fabricar compuestos con las propiedades exactas que deseamos».

Otros investigadores que colaboraron en el proyecto pertenecen al Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos de la Universidad Estatal de Florida, a la Universidad de Columbia, al Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y al Laboratorio Nacional de Brookhaven.

La Fundación Nacional de la Ciencia, la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinar de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Welch, el Departamento de Energía, la Universidad Estatal de Florida, la Agencia Japonesa de Energía Atómica y la Fundación Amigos de Todai Inc. apoyaron el trabajo.