Científicos brasileños idean un método de magnetización de materiales sin campo magnético exterior

Un estudio mostró que es posible inducir este fenómeno mediante compresión adiabática, es decir, sin intercambio de calor con el medio, en un proceso que hace que se alineen los espines de las partículas constituyentes del material y magneticen el sistema

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Un grupo de científicos de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en Brasil, ha postulado la magnetización de materiales sin la aplicación de un campo magnético externo. En un artículo publicado en la revista Scientific Reports, los investigadores apuntaron también cuál es el camino experimental para alcanzar este objetivo.

Este estudio forma parte de la investigación doctoral de Lucas Squillante, bajo la dirección del profesor Mariano de Souza en el Departamento de Física del campus de la Unesp situado en la localidad de Rio Claro. Y además de Squillante y De Souza, el mismo contó con la participación de la doctoranda Isys Mello, dirigida también por el propio De Souza y del profesor Antonio Seridonio, del Departamento de Física y Química del campus de la Unesp ubicado en la localidad de Ilha Solteira. El grupo contó a su vez con el apoyo de la FAPESP. 

“De manera muy sucinta, puede decirse que la magnetización sucede al comprimirse una sal en forma adiabática, es decir, sin intercambio de calor con el medio exterior. La compresión hace que la temperatura de esa sal aumente y genera al mismo tiempo un reordenamiento en los espines de las partículas constituyentes de la sal. Todo esto para que la entropía total del sistema se mantenga constante. El resultado indica que el sistema se magnetiza al final del proceso”, le comenta De Souza a Agência FAPESP.

Para entender este fenómeno, es preciso discurrir un poco más acerca de dos conceptos que se plantean en la afirmación anterior: el de espín y el de entropía.

El espín es una propiedad cuántica que hace que las denominadas partículas elementales (cuarks, electrones, fotones, etc.), las partículas compuestas (protones, neutrones, mesones, etc.) e incluso los átomos y las moléculas se comporten como diminutos imanes y se ubiquen en el sentido norte o sur cuando se los somete a la acción de un campo magnético. Esta ubicación se caracteriza con los términos up (arriba) y down (abajo).

“Los materiales paramagnéticos, como el aluminio, que es un metal, se magnetizan únicamente mediante la aplicación de un campo magnético exterior. En tanto, los materiales ferromagnéticos, como el propio hierro, pueden magnetizarse en forma finita aun en ausencia de un campo magnético aplicado, debido a que poseen dominios magnéticos”, explica De Souza.

Con respecto a la entropía, esta es básicamente una medida de las configuraciones o los estados accesibles del sistema. Cuanto mayor es la cantidad de estados accesibles, mayor es la entropía. Mediante un abordaje estadístico, el gran físico austríaco Ludwig Boltzmann (1844-1906) asoció la entropía de un sistema, que es una magnitud macroscópica, a la cantidad de configuraciones microscópicas posibles de las partículas que lo constituyen. “En el caso de un material paramagnético, la entropía incorpora una distribución de probabilidades que describe la cantidad de espines arriba [up] o abajo [down] de las partículas constituyentes”, puntualiza De Souza.

En el estudio que ahora presentó su grupo, se comprime una sal paramagnética en una sola dirección y en un solo sentido. “Al aplicársele un estrés uniaxial, el volumen de la sal disminuye. Como este proceso se lleva a cabo sin intercambio de calor con el medio, la compresión produce un aumento adiabático de la temperatura del material. Y un aumento de la temperatura significa un aumento de la entropía. Para que la entropía total del sistema se mantenga constante, es necesario que exista un componente de disminución local de la entropía que compense el aumento de la temperatura. Entonces los espines tienden a alinearse y generan la magnetización del sistema”, explica De Souza.

De este modo, la entropía total del sistema se mantiene constante y la compresión adiabática redunda en magnetización. “Experimentalmente, se alcanza el carácter adiabático al comprimirse la muestra en un lapso de tiempo menor que el de su relajación térmica o, en otras palabras, la cantidad de tiempo usual que el sistema tarda para intercambiar calor con su entorno”, detalla De Souza.

Asimismo, los investigadores plantean que el aumento adiabático de temperatura puede utilizarse también para investigar otros sistemas interactuantes, tales como los condensados de Bose-Einstein en aislantes magnéticos y los sistemas dipolares del tipo “hielo de espín”.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Elastocaloric-effect-induced adiabatic magnetization in paramagnetic salts due to the mutual interactions en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-021-88778-4.