Aplicaciones

Los múltiples usos de los imanes han hecho crecer continuamente su demanda, y siempre se está buscando mejorarlos o abaratarlos. En la práctica, como los mejores imanes suelen ser duros y quebradizos, muchas veces se los fabrica embebiendo materiales en polvo en resinas, comprimidos (previa aplicación de un campo intenso para alinear los espines) y tratados térmicamente.

La “dureza” de un imán se cuantifica mediante el campo coercitivo, como se llama al valor de campo magnético necesario para reestablecer al material el estado desmagnetizado ($M\!=\!0$): para los imanes duros el campo coercitivo es alto, mientras que para los blandos es pequeño. Los imanes convencionales son los basados en hierro, con diferentes agregados, los más habituales son Al, Ni y Co, y son conocidos comercialmente como Alnico, Alcomax, etc. Con el tiempo se lograron altas coercitividades con aleaciones de Sm y Co, luego con ferritas de Ba o Sr, y también con diferentes tierras raras, como es el caso del Nd$_2$FeB, que además del alto campo coercitivo se caracterizan por una alta magnetización remanente. A gran escala estos imanes se utilizan para suspender materiales, como ocurre con los trenes de alta velocidad.

Recientemente la microelectrónica ha utilizado cada vez más frecuentemente imanes en sus desarrollos. En algunos dispositivos modernos, además de la carga transportada resulta de interés el espín de los electrones. Los avances logrados en la preparación de capas delgadas y en estructuras multicapas han permitido el desarrollo de la magnetoelectrónica, también llamada espintrónica: mientras en los circuitos electrónicos usuales los espines están orientados arbitrariamente, en la espintrónica se orientan en una determinada dirección, lo que permite controlar el flujo de corriente. Así se aplican campos intensos para manipular datos en las computadoras, por ejemplo en los cabezales de lectura de discos rígidos. También vale la pena mencionar los sensores magnéticos en la tecnología de automóviles, ingeniería mecánica y en medicina.

En generaciones previas de estas tecnologías se aprovechaban los cambios en la resistencia eléctrica de una capa ferromagnética al aplicar un campo externo. El almacenamiento de datos se basa en pequeños dominios magnéticos que representan “0” y “1”, y para leerlos, las variaciones en la resistencia eléctrica sirven para detectar los campos magnéticos superficiales, y por lo tanto relevar la información digital.

En multicapas de Fe (ferromagnético) y Cr (no magnético) se observó un acoplamiento paralelo o antiparalelo de las magnetizaciones de Fe, dependiendo del espesor de las capas de Cr. La resistencia eléctrica del conjunto depende fuertemente del tipo de acoplamiento, y la alta sensibilidad que se logra con este ensamble permite el almacenamiento de datos con densidades muy superiores a las anteriores. Además, este efecto ha permitido el diseño de “válvulas de espín” para regular el paso de corriente a través de estas estructuras: se aplica un campo externo intenso que modifica la magnetización de las capas de Fe, cambiando bruscamente su conductividad¹².

Las uniones magnéticas de tunelamiento consisten de tres capas, dos ferromagnéticas que envuelven una capa aislante de óxido metálico, cuyo espesor es de apenas 1 nm: la corriente entre las capas ferromagnéticas puede circular libremente por efecto túnel cuando la magnetización de las capas es paralela; en cambio cuando se oponen, la resistencia crece notoriamente. De este modo, la magnetización de una de las capas se mantiene fija y la información digital se almacena modificando la otra, consiguiéndose aun una mayor densidad de datos.

Los ejemplos mencionados evidencian el altísimo potencial de la magnetoelectrónica, que hasta ahora se ha volcado principalmente en el almacenamiento de datos digitales. Esta evolución se pone de manifiesto por ejemplo en el espectacular crecimiento de la densidad de datos almacenados en un disco rígido: entre 1956 y 2000 la densidad de datos por cm$^2$ aumentó 10.000.000 de veces, pasando de 310 bits/cm$^2$ a 2,6 Gb/cm$^2\,$; en 2011 esta densidad alcanzó los 65 Gb/cm$^2$ y en 2015 ascendió a 200 Gb/cm$^2\,$. El crecimiento de esa densidad ya no es tan impactante, y el límite pronto estará impuesto por los tamaños de las estructuras nanométricas que permiten delimitar los dominios magnéticos correspondientes a una unidad de información. Por este motivo, recientemente la búsqueda también se ha desplazado a otros tipos de almacenamiento, como es registrar los bits manipulando estados fermiónicos propios de los electrones de un sistema¹³: si bien se aspira a elevar la capacidad en 5 órdenes de magnitud, al día de hoy apenas se han informado los primeros intentos.