Nanoimanes de diseño

Tras unas semanas de locos sin tiempo para el blog, hoy quiero hablar de nuestra colaboración  con el grupo de Sander Otte en  la Universidad de Delft y que ha salido publicada en  Nature Materials,  que además le ha dedicado su portada. 

Todos hemos jugado alguna vez con un imán. Cualquier objeto que uno pueda manipular con los dedos y ver a simple vista  está hechos de millones de trillones de átomos (o sea, un uno seguido de 24 ceros).  Gracias a su  microscopio de efecto túnel,  nuestros colegas de Delft pueden "jugar" con un imán hecho con únicamente  6 átomos de hierro.  Dicho instrumento permite  depositar átomos, uno a uno,   en una superfície y estudiar sus propiedades.  En este caso,  los 6 átomos de hierro fueron depositados  en línea recta, separados por apenas 0.7 nanómetros de distancia, algo así como el doble de la distancia a la que estarían el hierro metálico convencional.

Recreación artística de una cadena de átomos depositada en una superficie y observada con un miscroscopio de efecto túnel.

¿Y cómo se comporta dicho imán?.  Para saberlo,  nuestros colegas hicieron dos tipos de experimento, ambos usando el microscopio de efecto túnel. Como se puede ver en la figura, éste consiste en una aguja metálica que es posible acercar a la superficie a una distancia de apenas el tamaño de 2 o 3  átomos.  Con dicha punta se pueden mover los átomos y se puede hacer pasar corriente eléctrica a través de ellos. 

 En un primer experimento,   la punta estaba también formada por átomos de hierro. Así, teníamos dos imanes, en la punta y en la superficie. De forma análoga a los imanes convencionales, que se pueden atraer o repeler dependiendo de la orientación relativa de sus polos magnéticos,  en el caso de punta y superficie es el paso de corriente el que depende de dicha orientación relativa. Este efecto se conoce como magnetoresistencia túnel y es el principio físico que usa la cabeza lectora de los discos duros, pero esta es otra historia.  Lo importante aquí es que la magnetoresistencia túnel hace posible medir en tiempo real si los dos imanes "se atraen" o se "repelen".   Debido a su minúsculo tamaño, los polos magnéticos  de nuestro pequeño imán se invierten cada pocos segundos. 

En un segundo tipo de experimento,  comprobamos como el transporte de electricidad a través de cada uno de los 6 átomos de la cadena era ligeramente diferente, tal y como esperábamos de acuerdo con los modelos mecánico-cuánticos que describen este fascinante sistema.  Esas pequeñas diferencias,  nos permiten sacar una especie de fotografía magnética del sistema,  con cierto parecido con las imágenes de resonancia magnética nuclear que nos toman en un hospital,  pero con una resolución millones de veces mejor.   Usando jerga para expertos,  hemos sacado imágenes con resolución atómica de las ondas de spin de una cadena de átomos.  

Por último, este experimento abre la puerta a una multitud de posibilidades para diseñar imanes cuyas propiedades se puedan controlar, variando su tamaño, disposición encima de la superficie, así como la composición química de ésta.    En los próximos años vamos a estudiar estos  nanoimanes de diseño y explorar así las propiedades fascinantes de la materia en una escala en la que los efectos cuánticos desempeñan un papel preponderante.