Si colocas unos cuantos átomos de hierro en fila sus espines magnéticos pueden organizarse en un patrón antiferromagnético alterno. O, mejor dicho, patrones. Debido a su naturaleza cuántica los átomos se encuentran en una superposición de dos estados antiferromagnéticos. Normalmente, la fila de átomos oscila rápidamente entre los dos estados. Pero un equipo de investigadores acaba de demostrar que es posible llevar una cadena corta de átomos de hierro a un punto diabólico, con el efecto de alargar espectacularmente el tiempo que la cadena pasa en un estado u otro. Este efecto podría ser la base sobre la que fabricar un magnetómetro de tamaño atómico.
El punto diabólico recibe su nombre del diábolo, un yoyó chino cuyas dos mitades cónicas opuestas se unen en un cuello estrecho. Si se representa gráficamente la energía de una cadena de espín antiferromagnética frente a la fuerza del campo magnético aplicado se obtiene una forma similar: un cono que apunta hacia arriba es el estado fundamental, mientras que el cono que apunta hacia abajo es el primer estado excitado. En su unión (el punto diabólico), los dos estados están degenerados.
Para crear su punto diabólico los investigadores colocaron cinco átomos de hierro sobre una superficie de nitruro de cobre a baja temperatura y en un vacío ultraalto. Encontraron que un campo magnético aplicado en paralelo a la superficie tenía el valor justo para crear unos estados fundamental y excitado casi degenerados.
Midiendo el giro del átomo central con un microscopio de efecto túnel los investigadores descubrieron que, en el punto diabólico, el patrón antiferromagnético cambiaba de dirección aproximadamente cada 10 segundos. Al variar el campo paralelo y aplicar un campo perpendicular adicional puediron crear un mapa de las condiciones alejadas del punto diabólico. A la distancia más grande, el tiempo de cambio de dirección se redujo en 3 órdenes de magnitud.
Los investigadores afirman que la sensibilidad del tiempo de cambio de dirección al campo magnético local podría aprovecharse para construir un magnetómetro de tamaño atómico.
Referencias:
R. J. G. Elbertse, D. Borodin, J. Oh, T. Ahn, J. Hwang, J. C. Rietveld, A. J. Heinrich, F. Delgado, S. Otte, and Y. Bae (2024) Long-Lived Magnetization in an Atomic Spin Chain Tuned to a Diabolic Point Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.133.166703
C. Tomé López (2017) Defeating spin decoherence Mapping Ignorance ISSN 2529-8992
C. Day (2024) Diabolical Nanomagnets Physics 17, s118
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance
