domingo, 17 de mayo de 2015

Entre tú y yo hay magnetismo

Espero que con esta entrada consiga atraer a algún lector, en vez de repelerlos.
Un imán es una cosa bastante cotidiana. Los usamos para leer y escribir los discos duros, para generar electricidad en turbinas y dinamos, e incluso para decorar nuestras neveras con recuerdos de las últimas vacaciones. El comportamiento del campo magnético se puede comprender mediante las leyes de Maxwell. Sin embargo, para entender cómo responden los materiales a los campos magnéticos, hay que emplear artillería pesada: relatividad especial, cuántica, mecánica estadística y física del estado sólido.

En la naturaleza o en los laboratorios podemos encontrarnos con toda una legión de tipos de materiales dependiendo de su relación con el magnetismo:

Materiales diamagnéticos: Al aplicarles un campo magnético, adquieren una magnetización en la dirección opuesta al campo aplicado, por lo que se ven repelidos. La causa es que los electrones de los átomos, al encontrarse en un campo magnético, describen órbitas, que crean su propio campo en sentido opuesto (ley de Lenz). Esto ocurre en todos los materiales, pero es un efecto muy pequeño, por lo que solo se manifiesta si no hay otros fenómenos. Los materiales más diamagnéticos son el bismuto y el grafito pirolítico.

Materiales superconductores: Además de la resistencia nula, la principal característica de los superconductores es el efecto Meissner: un campo magnético externo no puede penetrar en el material. Esto los convierte en diamagnéticos perfectos. Hay dos tipos de superconductores: en los de tipo I, al superar un campo magnético crítico \(B_c\), se destruye la superconductividad. En los de tipo II, al superar un primer campo crítico \(B_{c1}\), el campo puede penetrar en regiones muy localizadas (vórtices) mientras el resto del material sigue expulsando el campo; y al superar el segundo campo crítico \(B_{c2}\) desaparece la superconductividad.

Materiales paramagnéticos: Los materiales paramagnéticos, cuando son sometidos a un campo magnético, adquieren una magnetización en la misma dirección que el campo y son atraídos. Se debe a la presencia de electrones desapareados en el material, cuyos espines (y por tanto, sus momentos magnéticos) se alinean con el campo externo. En ausencia de campo, la agitación térmica desordena la orientación de los espines, por lo que la magnetización desaparece. La mayoría de los materiales son débilmente paramagnéticos.

Materiales ferromagnéticos: Son los que nos vienen a la cabeza al pensar en magnetismo. Tienen una respuesta a los campos magnéticos mucho más intensa (varios órdenes de magnitud) que los paramagnéticos, y presentan una magnetización incluso en ausencia de campo magnético externo. Esto solamente ocurre por debajo de una temperatura crítica, la temperatura de Curie $T_c$; a temperaturas mayores se vuelven paramagnéticos.
Por lo tanto, debe haber "algo" en el propio material que obligue a los espines a estar alineados. La primera propuesta era que el momento magnético de un átomo atraía magnéticamente a los momentos de los átomos vecinos, orientándolos en la dirección paralela. Sin embargo, esta interacción es demasiado débil (unos cuantos órdenes de magnitud) para explicar los materiales ferromagnéticos usuales. En realidad, el alineamiento de los espines se debe a la interacción de intercambio o canje: una contribución a la energía debida a que dos partículas sometidas al principio de exclusión de Pauli (electrones) están interaccionando entre sí (en este caso, por su repulsión electrostática). Un modelo simple, aunque da una idea de lo que ocurre, es el hamiltoniano de Heisenberg \[H=-\sum_{i,j}J_{ij} \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j\]
donde \(J_{ij}\) es la integral de intercambio, y para que el material sea ferromagnético debe ser positiva. 
Un material ferromagnético está compuesto por dominios magnéticos, zonas del material en las que la imanación es siempre uniforme. El efecto de aplicar un campo magnético es reorganizar la dirección de la imanación de cada dominio.
Los ejemplos típicos son hierro, cobalto, níquel y aleaciones de estos metales.

Materiales antiferromagnéticos: No presentan una magnetización neta en ausencia de un campo magnético. Sin embargo, sí que exhiben otras propiedades magnéticas, como máximos en la susceptibilidad magnética y el calor específico, y una signatura característica en la dispersión de neutrones. A pesar de las apariencias, son bastante similares a los materiales ferromagnéticos, solo que en este caso la integral de intercambio es negativa. Por ello, los espines de los átomos vecinos prefieren estar en direcciones opuestas y se compensan entre sí. Se puede ver una red cristalina antiferromagnética como dos redes ferromagnéticas intercaladas con magnetizaciones opuestas. Uno de los ejemplos más conocidos es la hematita.


Materiales ferrimagnéticos: (¡cuidado con la i!). El comportamiento de estos materiales es bastante parecido a los ferromagnéticos, pero no así su estructura. La red cristalina está compuesta por dos subredes intercaladas (de forma parecida a los antiferromagnéticos), con magnetizaciones en direcciones opuestas. Estas magnetizaciones no se compensan completamente, por lo que el material tiene una magnetización neta incluso cuando no hay campo externo. Antes del descubrimiento del antiferromagnetismo, se creía que eran materiales ferromagnéticos: este es el caso del material magnético más conocido, la magnetita.
Materiales superparamagnéticos: son nanopartículas de materiales que en condiciones normales serían ferromagnéticos o ferrimagnéticos. Al tener un tamaño tan pequeño, solamente tienen un dominio magnético. Esto significa que, en vez de como un sólido macroscópico con propiedades colectivas, se comportan como un único momento magnético (que es la suma de todos los momentos magnéticos). Por lo tanto, incluso por debajo de la temperatura de Curie son susceptibles a las fluctuaciones térmicas, y el efecto es que se comportan como paramagnéticos pero con intensidades miles de veces superiores. Esta propiedad se está empezando a emplear para tratamientos con nanopartículas magnéticas, por ejemplo para calentar por resonancia de manera localizada zonas tumorales. El superparamagnetismo también es un factor limitante para la miniaturización de los discos duros.