Cuando los materiales magnéticos desordenados se enfrían a la temperatura adecuada, ocurre algo interesante. Los espines de sus átomos se “congelan” y se fijan en un patrón estático, mostrando un comportamiento cooperativo que no se suele mostrar.

Ahora, por primera vez, los físicos han visto lo contrario. Cuando se calienta fraccionadamente, el elemento magnético natural neodimio se congela, poniendo “patas arriba” todas nuestras expectativas.

Alexander Khajetoorians, físico de la Radboud University en Países Bajos, dijo en un comunicado:

“El comportamiento magnético del neodimio que hemos observado es, en realidad, lo contrario de lo que ocurre ‘normalmente’. Es bastante contraintuitivo, como si el agua se convirtiera en un cubito de hielo cuando se calienta”.

En un material ferromagnético convencional, como el hierro, los espines magnéticos de los átomos se alinean todos en la misma dirección; es decir, sus polos magnéticos norte y sur están orientados de la misma manera en el espacio tridimensional.

Pero en algunos materiales, como algunas aleaciones de cobre y hierro, los espines son bastante aleatorios. Este estado es lo que se conoce como cristal de espín.

Puede que piense “pero el neodimio es conocido por hacer excelentes imanes” y tendría razón… pero tiene que estar mezclado con hierro para que los espines se alineen. El neodimio puro no se comporta como otros imanes; sólo hace dos años los físicos determinaron que este material es, de hecho, mejor descrito como un cristal de espín autoinducido.

Neodimio, más extraño de lo pensado

Ahora, parece que el neodimio es aún más extraño de lo que pensábamos.

Imanes de Neodimio. Crédito: AORV / Wikimedia Commons

Cuando se calienta un material, el aumento de la temperatura incrementa la energía en ese material. En el caso de los imanes, esto aumenta el movimiento de los espines. Pero también ocurre lo contrario: Cuando se enfría un imán, los espines se ralentizan.

En el caso de los vidrios de espín, la temperatura de congelación es el punto en el que el vidrio de espín se comporta más como un ferromagneto convencional.

Dirigido por el físico Benjamin Verlhac, de la Radboud University, un equipo de científicos quiso comprobar cómo se comportaba el neodimio al cambiar de temperatura. Curiosamente, descubrieron que al elevar la temperatura del neodimio de -268 grados Celsius a -265 grados Celsius (de -450.4 a -445 Fahrenheit) se inducía el estado de congelación que suele observarse al enfriar un cristal de espín.

Cuando los científicos volvieron a enfriar el neodimio, los espines volvieron a desprenderse.

Misterio de la ciencia

No está claro por qué ocurre esto, ya que es muy raro que un material natural se comporte de forma “errónea”, en contra de cómo se comportan todos los demás materiales de su clase. Sin embargo, los científicos creen que puede tener que ver con un fenómeno llamado frustración.

A temperaturas más frías, los giros en el material forman patrones aleatorios, donde cada patrón gira como una hélice con un giro particular. Al calentar el material, los giros eligen uno de los patrones de hélice particulares, un fenómeno que normalmente ocurre cuando la temperatura disminuye en los materiales magnéticos. Cortesía: ru.nl / Nature Physics

Esto ocurre cuando un material es incapaz de alcanzar un estado ordenado, dando lugar a un estado básico desordenado, como el que vemos en los vidrios de espín.

Según los investigadores, es posible que el neodimio tenga ciertas correlaciones en su estado de vidrio de espín que dependen de la temperatura. El aumento de la temperatura debilita estas correlaciones y, por tanto, la frustración, lo que permite que los espines se alineen.

Una investigación más profunda podría revelar el mecanismo que hay detrás de este extraño comportamiento en el que el orden surge del desorden con la adición de energía; los investigadores señalan que esto tiene implicaciones que van más allá de la física.

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Khajetoorians dijo:

“Esta ‘congelación’ del patrón no se produce normalmente en el material magnético. Si finalmente podemos modelar cómo se comportan estos materiales, esto también podría extrapolarse al comportamiento de una amplia gama de otros materiales”.

Los hallazgos de la investigación han sido publicados en Nature Physics.

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