Grafito, ¿un imán permanente?

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Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), en un estudio publicado recientemente en la revista Physical Review Letters, explican el origen de un exótico comportamiento del grafito. Los resultados revelan que los escalones de grafito no presentan carácter ferromagnético.

(Foto: UAM, ICMM)

Bien conocido por sus propiedades como lubricante sólido, o por encontrarse como principal componente de la mina de los lápices, el grafito todavía sigue escondiendo el origen de algunas de sus propiedades físicas. Constituido únicamente por átomos de Carbono, su estructura se compone de delgadas láminas, de espesor atómico, conocidas como grafeno —el Premio Nobel de Física de 2010 ha tenido como principal motivo el aislamiento individual de estas láminas—.

Durante los últimos diez años, el grafito ha sido protagonista de un gran número de publicaciones científicas al descubrirse en él evidencias de un inesperado comportamiento ferromagnético, similar al de un imán permanente, en regiones localizadas de tamaño nanométrico asociadas con defectos de la red cristalina que lo forma.

En octubre de 2009, un grupo de investigadores de la Universidad técnica de Eindhoven y la Universidad Radboud de Nijmegen en Holanda, parecía haber encontrado la clave de dicho comportamiento. Según ellos, a lo largo de los escalones monoatómicos en la superficie del grafito, formados por una gran cantidad de defectos a escala atómica, se observaba una clara e inequívoca señal ferromagnética.

Sin embargo, los experimentos anteriores no son concluyentes, dado que sigue sin resolver el conocido problema para separar los campos eléctricos de los magnéticos en la nanoescala. El estudio de estas interacciones es fundamental para la Nanotecnología, ya que son el origen de las fuerzas que gobiernan el mundo de lo pequeño, pues en esas dimensiones la gravedad, que nos es tan familiar, es despreciable.

Cuatro investigadores de la UAM (David Martínez-Martín, Miriam Jaafar, Rubén Pérez y Julio Gómez-Herrero) junto con la investigadora Agustina Asenjo, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), consiguieron desarrollar una nueva metodología que permite, por fin, la separación correcta de las interacciones eléctricas y magnéticas en sistemas nanoscópicos.

Para desenmascarar el comportamiento magnético del grafito, los investigadores se valieron de un dispositivo experimental que integra de forma simultánea (1) la microscopía de fuerza atómica, (2) la microscopía de sonda Kelvin y (3) la microscopía de fuerza magnética.

La primera es la encargada de adquirir la información topográfica superficial de la muestra en estudio. La segunda, sensible únicamente a los campos eléctricos, determina con gran exactitud el campo eléctrico local asociado a un punto determinado de la topografía; y crea un campo eléctrico igual pero de sentido opuesto al existente, de manera que el campo eléctrico resultante es nulo.

La microscopía de fuerza magnética, por su parte, determina con altísima sensibilidad el campo magnético en esa región del espacio. Toda esta instrumentación se encuentra en el interior de una campana de alto vacío, lo cual consigue aumentar muy eficazmente sus límites de detección.

Los resultados del estudio, publicados recientemente por la revista Physical Review Letters, han desvelado que los escalones de grafito no presentan carácter ferromagnético. El trabajo confirma también que la señal observada a lo largo de los escalones de grafito es independiente del campo magnético externo aplicado, corroborando la naturaleza no magnética de la señal observada en tales defectos cristalinos.

Además, los investigadores han señalado que un gran número de las evidencias que se pueden encontrar en la literatura, son el resultado de confundir interacciones eléctricas con interacciones magnéticas. El equipo confía en que el método permitirá avanzar en el conocimiento de los muchos procesos que tienen lugar a escalas atómica y molecular. (Fuente: SINC/UAM)

Crean un "Imán" de un Solo Polo
21 de Mayo de 2010. Se ha conseguido crear una estructura que actúa como un imán de un solo polo. Este logro técnico había sido perseguido, sin éxito hasta ahora, desde hace muchas décadas.


Los investigadores que lo han conseguido, del University College de Londres, creen que su nueva investigación les lleva un paso más cerca de aislar un "monopolo magnético".

Los imanes tienen dos polos magnéticos, norte y sur. Dos polos iguales, ya sean dos polos norte o dos polos sur, se repelen entre sí, en tanto que los polos opuestos se atraen; uno norte con otro sur. De cualquier manera que un imán sea cortado, siempre tendrá estos dos polos.

Los científicos han teorizado durante muchos años que debe ser posible aislar un monopolo magnético, sólo norte o sólo sur, pero hasta muy recientemente los investigadores han sido incapaces de demostrar esto por medio de experimentos.

Ahora, los investigadores de la citada universidad han logrado que pequeños imanes de tamaño nanométrico se comporten como monopolos magnéticos, gracias a posicionarlos del modo idóneo en una estructura parecida a un panal.

A finales del 2009, varios equipos de científicos consiguieron inducir un comportamiento como el de un monopolo en un material especial.

Sin embargo, en ese material y los de su clase, los monopolos sólo se forman a temperaturas sumamente bajas, de 270 grados Celsius bajo cero, o sea sólo 3 grados por encima del Cero Absoluto.

En cambio, la estructura creada por los investigadores del University College de Londres contiene monopolos magnéticos a la temperatura ambiente.

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Miden una Corriente Eléctrica Perpetua

Unos físicos de la Universidad Yale han hecho las primeras mediciones definitivas de la “corriente persistente”, una corriente eléctrica pequeña pero perpetua que fluye de forma natural a través de anillos diminutos de cable metálico incluso sin una fuente de energía externa.


El equipo usó un método nuevo, basado en dispositivos de tamaño nanométrico y forma comparable a la de un puente levadizo o un trampolín de piscina, para medir indirectamente la corriente a través de los cambios en la fuerza magnética que se producen cuando la corriente eléctrica fluye a través del anillo.

El jefe del equipo es Jack Harris, profesor de física y de física aplicada de la Universidad Yale.

La existencia de esta corriente perpetua en un cable conectado a sí mismo y sin fuente de alimentación externa puede parecer que vulnera las leyes de la física. Sin embargo, es el resultado de un efecto de la mecánica cuántica que influye en cómo los electrones viajan a través de los metales, y proviene del mismo tipo de movimiento que permite a los electrones dentro de un átomo orbitar en torno al núcleo para siempre.

Aunque la corriente persistente fue propuesta desde el ámbito teórico hace décadas, es tan débil y sensible a su entorno que ningún físico fue capaz de medirla con precisión ahora hasta.

En experimentos anteriores en los que se intentó medir indirectamente la corriente persistente por medio del campo magnético que ésta produce (cualquier corriente que circule a través de un cable metálico produce un campo magnético), se usaron magnetómetros sumamente sensibles pero los resultados eran incoherentes e incluso contradictorios.

Los autores de la nueva investigación usaron dispositivos nanométricos con forma de trampolín para detectar los cambios en el campo magnético producidos cuando la dirección de la corriente cambiaba en los anillos de aluminio. Este nuevo instrumental permitió al equipo hacer mediciones un orden de magnitud más precisas que cualquiera de las efectuadas antes. Los investigadores también midieron la corriente persistente en una gama más amplia de temperatura, de tamaño de anillo y de campo magnético que en los experimentos anteriores.

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Descubren la "electricidad magnética"

Científicos descubrieron el equivalente magnético de la electricidad; "cargas" magnéticas únicas que se comportan e interactúan como las cargas eléctricas.

La "magnetricidad" sólo existe dentro de un material cristalino especial llamado hielo de espín.

La investigación, llevada a cabo en el Centro de Nanotecnología de Londres, es la primera que hace uso de los monopolos magnéticos que sólo existen en un material cristalino llamado hielo de espín.

Según los científicos -que publican su estudio en la revista Nature- lograron demostrar que los monopolos se juntan para formar una "corriente magnética" similar a la electricidad.

El fenómeno, bautizado como "magnetricidad", podría ser usado en dispositivos de almacenamiento magnético o en computación, dicen los autores.

Monopolos

Los monopolos magnéticos (que son partículas hipotéticas que tendrían un solo polo magnético) fueron planteadas por primera vez hace más de un siglo como un análogo perfecto de las cargas eléctricas.

Aunque hay protones y electrones con cargas eléctricas netas positivas y negativas, no hay partículas que transporten cargas magnéticas, porque cada imán tiene un polo "norte" y un polo "sur".

En septiembre pasado, dos grupos de investigación independientes informaron de la existencia de monopolos, "partículas" que transportaban una carga magnética general. Pero sólo existían en los cristales de hielo de espín.

Estos cristales están formados de pirámides de átomos cargados, o iones, arreglados de tal forma que cuando son enfriados a temperaturas extremadamente bajas, los materiales muestran "bultos" pequeñísimos y discretos de carga magnética.

Las líneas de fuerza de un campo magnético puede verse en el arreglo de las limaduras de metal junto al imán.

Ahora, uno de estos equipos -el del Centro de Nanotecnología de Londres- ha logrado demostrar que estas "cuasipartículas" de carga magnética pueden moverse juntas formando una corriente magnética como la corriente eléctirca que se forma al mover electrones.

Lo lograron usando partículas subatómicas llamadas muones, creadas en el Centro ISIS del Consejo de Ciencia y Tecnología cerca de Oxford, Inglaterra.

Los muones se descomponen millonésimas de segundo después de ser producidos en otras partículas subatómicas.

Pero la dirección en que vuelan las partículas resultantes es un indicador del campo magnético en una pequeña región alrededor de los muones.

Como electrones

El equipo, dirigido por Stephen Bramwell, implantó estos muones en hielo de espín para demostrar la forma como los monopolos magnéticos se mueven.

Demostraron que cuando el hielo de espín es colocado en un campo magnético, los monopolos se acumulan en un lado, justo como se acumularían los electrones cuando se les coloca en un campo eléctrico.

Tal como explicó a la BBC el profesor Bramwell, es poco probable que ese avance pueda desarrollarse como un medio de ofrecer energía, principalmente porque las partículas viajan sólo dentro de los hielos de espón.

"No vamos a ver una bombilla de luz magnética o nada como eso" expresa el científico.

Pero su se logra crear diferentes materiales de hielo de espín para modificar las formas como los monopolos se mueven a través de ellos, los materiales podrían en el futuro ser utilizados en dispositivos de almacenamiento con "memoria magnética", señala el investigador.

O también, agrega, podrían usarse en la espinotrónica -o magnetoeléctonica- un campo que podría mejorar en el futuro la capacidad de la computación.