MAGNETISMO DE SISTEMAS NANOSCÓPICOS

Las nuevas propiedades que se observan en los sistemas creados con herramientas y técnicas nanométricas no se pueden predecir por lo general a partir del material a gran escala. Fenómenos como confinamiento por tamaño, predominio de las interfaces (o superficies) y los efectos de la física cuántica dominan solo en la escala nanométrica. Una vez en control del tamaño del sistema se pueden intensificar las nuevas propiedades del material y se abre el camino para aplicaciones en dispositivos novedosos. En el caso de los materiales magnéticos, fenómenos nuevos como la ‘magnetorresistencia gigante’ (ver recuadro ‘Electrónica del espín (espintrónica)’) o los sistemas con alta densidad de información, o bien el avance en la tecnología de imanes permanentes gracias a los sistemas de nanopartículas, constituyen todos propiedades nuevas que surgen a esta escala. La unión de la investigación en el conocimiento básico de la física de los materiales y la investigación aplicada en el diseño de dispositivos abren la puerta a estas aplicaciones. Dentro de este marco, haremos un breve paseo por algunos temas sobre nanoestructuras magnéticas que se están estudiando y desarrollando en nuestro país y en el mundo. Nanopartículas magnéticas Las nanopartículas magnéticas de diversos materiales han sido sistemas ampliamente estudiados durante varias décadas. Tomemos, por ejemplo, los materiales ferromagnéticos. En ellos cada campo magnético de origen atómico es producido por un dipolo o un momento magnético y cada uno está ordenado con los otros, o sea, todos permanecen perfectamente orientados y unidos por una fuerza cohesiva. A la energía involucrada en este proceso los físicos la llamamos ‘energía de intercambio’.


Si queremos cambiar la dirección de uno de los dipolos, los restantes tratarán de mantenerlo en su posición. Una imagen análoga es la de la tradicional cerca de madera con muchas tablas verticales unidas por dos travesaños (estado ordenado). Si nos apoyamos sobre una de las tablas verticales, la unión entre ellas ejerce una fuerza que se opone a nuestra acción y que impide que la tabla se incline lo suficiente como para tocar el suelo. Esta fuerza o unión juega un papel importante entre los dipolos obligándolos a que actúen en forma cooperativa. Para vencer esta energía de cohesión se necesita otra; energía térmica, por ejemplo. A la temperatura por encima de la cual los dipolos se desordenan completamente se la denomina temperatura de orden (Tc), algo así como si alcanzada esta temperatura los travesaños de la cerca desaparecen repentinamente y las tablas caen para un lado y otro y algunas quedan paradas (estado desordenado). Ahora, si bajamos la temperatura por debajo de Tc, espontáneamente aparecen nuevamente los travesaños y se forma una cerca perfectamente ordenada. Los sistemas reales, como el hierro, cobalto y níquel, por ejemplo, tienen una Tc de 1050°C, 1380°C y 630°C respectivamente. A mayor temperatura de orden, mayor es la energía de intercambio involucrada.
Por otro lado, un dipolo ubicado en la superficie de la partícula tiene menos vecinos, sufre menos la cooperación entre dipolos que uno interno y se ve más libre para cambiar de orientación. Entonces, al disminuir el tamaño de las partículas aumenta la relación superficie a volumen, y decrece la cantidad de dipolos ordenados en la misma dirección. Esto quiere decir que la magnetización total del material, que mide la suma de los dipolos orientados en la misma dirección, también decrece (ver recuadro ‘Conceptos básicos’). En síntesis, la superficie suele ser menos magnética que el centro de la partícula. En la figura I del recuadro ‘La dependencia del tamaño sobre la magnetización y el campo coercitivo’, se puede apreciar cómo la magnetización de un gramo de material disminuye notablemente al disminuir el tamaño de las partículas. La superficie es proporcional al cuadrado del diámetro de la partícula promedio, mientras que el volumen es proporcional al cubo de este. El cociente superficie/volumen, deberá ser entonces proporcional a la inversa del diámetro de la partícula si hay efecto de contribución superficial. En la figura queda claramente demostrado el efecto superficial sobre la magnetización de las partículas. Esto indica que si queremos fabricar un imán con pequeñas partículas, estas no pueden ser demasiado pequeñas porque si no tendríamos poca magnetización para la fuerza en el imán.

Otra de las propiedades físicas interesantes que presentan las nanopartículas magnéticas es que su ‘campo coercitivo’, el campo magnético externo necesario para anular su magnetización (ver recuadro ‘Conceptos básicos -Hc-‘), tiene una fuerte dependencia con el tamaño. En la figura II del recuadro ‘La dependencia del tamaño sobre la magnetización y el campo coercitivo’mostramos la curva del campo coercitivo en función del diámetro medio de las partículas.
El campo coercitivo es una variable importante para fabricar imanes dado que un tamaño óptimo de partícula es aquel con mayor Hc (además de una alta magnetización). Las últimas investigaciones muestran que hay un esfuerzo importante para tratar de comprender cómo es el papel que juegan las interacciones entre partículas. Sabemos que los dipolos tratarán de encontrar un arreglo en sus orientaciones de forma tal de minimizar la energía contenida en el campo magnético.

(El presente artículo apareció en la revista argentina CIENCIA HOY Nº 85, Vol. 15, febrero-marzo 2005, pp. 40-51, que edita la Asociación Civil Ciencia Hoy, por cuya cortesía lo insertamos aquí)



Roberto D Zysler 
Doctor en Física, Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo.
Profesor Adjunto de la Carrera de Física en el Instituto Balseiro e Investigador del CONICET.
zysler@cab.cnea.gov.a
Rodolfo D Sánchez 
Doctor en Física, Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo.
Profesor Adjunto de la Carrera de Física en el Instituto Balseiro e Investigador del CONICET.
rodo@cab.cnea.gov.ar 

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