Científicos del SLAC descubren un tercer tipo de magnetismo que podría revolucionar la electrónica

Durante casi 90 años, los físicos clasificaron los materiales magnéticos en dos categorías principales: ferromagnetos y antiferromagnetos. Sin embargo, un equipo de investigadores del SLAC National Accelerator Laboratory, bajo el auspicio del Departamento de Energía de EE. UU., reveló la existencia de un tercer tipo de magnetismo denominado altermagnetismo, que podría marcar un hito en el avance de la computación y la electrónica.

La investigación, publicada en la revista Science, presentó evidencia experimental convincente sobre el altermagnetismo, una fase magnética que combina características importantes de los dos tipos tradicionalmente reconocidos. El autor principal, Daniel Jost, explicó que en los últimos años se observaron fenómenos que no encajaban en la dicotomía del ferromagnetismo y antiferromagnetismo. "Hemos estado recopilando pruebas de un tercer tipo de magnetismo que une las cualidades de estas dos clases. Creemos que nuestros resultados proporcionan una confirmación experimental robusta de que esta tercera fase, el altermagnetismo, es real", comentó Jost.

El equipo centró su estudio en el telururo de manganeso (MnTe), un material que había sido clasificado como antiferromagneto. A partir de investigaciones previas, los científicos identificaron evidencia directa de quiralidad, una asimetría distintiva en la estructura magnética del material. Esta propiedad es similar a la forma en que una escalera de caracol o un tornillo gira en una dirección particular y proporciona una firma crucial del altermagnetismo.

Más allá de su importancia para la física fundamental, este hallazgo podría ayudar a los investigadores a desarrollar materiales magnéticos con propiedades adecuadas para tecnologías futuras, incluidas sistemas de memoria avanzados, dispositivos cuánticos y centros de datos más eficientes.

Entendiendo los dos tipos tradicionales de magnetismo

El magnetismo es familiar en experiencias cotidianas, ya sea un imán de refrigerador sosteniendo una fotografía o una brújula alineándose con el campo magnético de la Tierra. Sin embargo, la física detrás de estos efectos es mucho más complicada de lo que parece. A nivel atómico, el magnetismo está relacionado con una propiedad cuántica de los electrones conocida como spin.

Cuando estos spins se organizan en patrones particulares, un material puede exhibir propiedades magnéticas. Sin embargo, esto no significa necesariamente que producirá un campo magnético detectable externamente. En los materiales ferromagnéticos, los spins de los electrones se alinean en la misma dirección, creando el campo magnético familiar asociado con los imanes ordinarios.

Por otro lado, en los antiferromagnetos, los spins de los electrones vecinos apuntan en direcciones opuestas, cancelándose mutuamente y dejando sin magnetización neta. Durante casi nueve décadas, estas dos categorías proporcionaron el marco básico para entender cómo surge el orden magnético en los materiales.

Sin embargo, observaciones experimentales recientes comenzaron a revelar comportamientos que ninguna de las categorías podría explicar completamente. Algunos materiales exhibieron spins alternos y ninguna magnetización neta, pero también podían soportar corrientes de spin, una propiedad asociada con el comportamiento ferromagnético. Esta combinación inusual sugirió que los científicos estaban tratando con algo fundamentalmente diferente. En 2022, se introdujo el término altermagnetos para los materiales que pertenecen a esta nueva clase magnética propuesta.

Los científicos encuentran la evidencia faltante para el altermagnetismo

A pesar de que el apoyo experimental para el altermagnetismo se acumuló, los investigadores aún necesitaban una forma decisiva de establecer que representaba una fase magnética genuinamente distinta. "Para 2024, había factores que hablaban fuertemente a favor de que el altermagnetismo era real, pero aún faltaba una pieza del rompecabezas", dijo Jost.

Esa evidencia faltante involucró la quiralidad, una propiedad a veces descrita como "izquierda o derecha". Un objeto es quiral cuando su imagen reflejada no puede alinearse perfectamente con el original. En un altermagneto, la disposición inusual de átomos y spins de electrones puede crear este tipo de quiralidad en la estructura electrónica y magnética del material. Los antiferromagnetos convencionales no exhiben la misma firma quiral característica.

La detección de esa diferencia proporcionaría una poderosa manera de distinguir un verdadero altermagneto de un material que simplemente se asemeja a uno. Los investigadores seleccionaron el telururo de manganeso como su material de prueba. Durante décadas, los científicos lo consideraron un antiferromagneto ordinario, pero estudios más recientes habían planteado la posibilidad de que perteneciera a la nueva categoría propuesta.

Rayos X potentes revelan una firma magnética oculta

Para investigar las propiedades inusuales del material, el equipo realizó experimentos en el European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) en Francia. La línea de haz ID32 de la instalación produce rayos X polarizados controlados con precisión, lo que permite a los científicos examinar estructuras magnéticas sutiles que de otro modo son extremadamente difíciles de detectar. Utilizando rayos X circularmente polarizados, que tienen campos eléctricos que rotan en dirección izquierda o derecha, los investigadores buscaron evidencia de quiralidad.

El experimento reveló una clara diferencia en la forma en que el teluro de manganeso interactuó con las dos polarizaciones de rayos X. Esta respuesta quiral distintiva fue precisamente el tipo de señal esperada del altermagnetismo y no estaría presente en un antiferromagneto convencional. "Esta firma quiral nos dio una base experimental sólida para afirmar que el altermagnetismo se encuentra en una clase propia", dijo Jost.

Los investigadores realizaron el experimento por primera vez en 2024 y regresaron a principios de 2025 para repetir las mediciones, reproduciendo con éxito los resultados y fortaleciendo la evidencia para la nueva fase magnética.

Por qué el altermagnetismo podría transformar las computadoras del futuro

Este descubrimiento podría tener importantes consecuencias para el spintrónica, un campo en crecimiento que busca utilizar el spin de los electrones para desarrollar dispositivos electrónicos más capaces. La electrónica convencional almacena y procesa información principalmente controlando la carga eléctrica de los electrones. La spintrónica añade otra forma de trabajar con la información al aprovechar también el spin de los electrones.

Esta capacidad adicional podría permitir dispositivos que operen más rápido, soporten interferencias de manera más efectiva y consuman significativamente menos electricidad. Dichas mejoras serían especialmente valiosas en la memoria de computadoras, grandes centros de datos y otras tecnologías que requieren enormes cantidades de procesamiento de información.

Sin embargo, los dos tipos tradicionales de magnetismo presentan diferentes obstáculos que han limitado el desarrollo de sistemas spintrónicos. "Los ferromagnetos son demasiado influenciables por campos magnéticos", explicó Jost. "Si tienes un imán permanente en tu bolsillo y pasas junto a un dispositivo spintrónico construido con ferromagnetos, podrías comenzar a voltear los bits, desordenando la información almacenada allí. Los antiferromagnetos solucionan ese problema, pero son prácticamente invisibles, por lo que no puedes leer fácilmente los datos almacenados en ellos o usarlos para impulsar corrientes de spin eficientes."

Los altermagnetos ofrecen una alternativa potencialmente valiosa. Al igual que los antiferromagnetos, sus spins opuestos producen ninguna magnetización neta, ayudando a protegerlos contra interferencias magnéticas no deseadas. Al mismo tiempo, su estructura electrónica inusual les permite generar corrientes polarizadas de spin que pueden usarse para recuperar información. "Los altermagnetos combinan lo mejor de ambos mundos", dijo Jost. "Tienen cero magnetización neta, por lo que son estables, pero aún tienen la capacidad de generar corrientes polarizadas de spin necesarias para extraer información fácilmente. Eso te da un grado adicional de libertad para trabajar."

Una nueva frontera para la tecnología cuántica y la electrónica

La confirmación del altermagnetismo proporciona a los científicos una nueva clase de materiales para investigar y potencialmente diseñar para aplicaciones tecnológicas. Al combinar estabilidad magnética con la capacidad de manipular información basada en spin, estos materiales podrían ayudar a superar los desafíos que han frenado los dispositivos spintrónicos convencionales. El siguiente paso será aprender a controlar los estados altermagnéticos utilizando influencias externas como la luz y la electricidad. Los investigadores esperan que dominar este control permita diseñar dispositivos prácticos que aprovechen las propiedades magnéticas inusuales. Aunque se necesita un desarrollo significativo antes de que estos materiales puedan ser ampliamente utilizados, los hallazgos establecen una base experimental más sólida para el trabajo futuro en tecnologías cuánticas, memoria de computadoras y centros de datos más eficientes.

La investigación recibió financiamiento parcial de la DOE Office of Science.

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