Científicos de EE.UU. confirman propiedades altermagnéticas en la hematita, el mineral más común de la Tierra

Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de Estados Unidos ha confirmado que la hematita, el mineral que forma el óxido común o herrumbre, exhibe altermagnetismo, una nueva forma de magnetismo descubierta en 2022 que podría transformar el campo de la espintrónica, según un estudio publicado en Physical Review Letters.

La espintrónica, también conocida como magnetoelectrónica, es una tecnología emergente que utiliza el espín de los electrones en lugar de su carga eléctrica, como ocurre en la electrónica tradicional. Aunque todavía es un campo en desarrollo, las tecnologías espintrónicas ya se encuentran en discos duros y sensores de magnetorresistencia gigante utilizados en aplicaciones industriales y automotrices, según el ORNL.

El descubrimiento de materiales altermagneticos económicos y abundantes como la hematita podría impulsar avances en tecnologías que van desde las comunicaciones inalámbricas hasta la computación cuántica, según los investigadores.

**Confirmación del altermagnetismo mediante ondas de espín**

Los altermagnetos son materiales magnéticos en los que los espines de los electrones se alinean en direcciones opuestas, permitiendo que fluyan corrientes de espín puras sin una carga eléctrica neta, condiciones ideales para la espintrónica, según el estudio.

El equipo midió ondas de espín, que se mueven a través del orden magnético de un material de manera similar a como las ondas sonoras se mueven a través del aire. Los investigadores descubrieron que estas ondas muestran una clara separación en energía, una firma única que confirma la naturaleza altermagnética del material, según Qiyang Sun, investigador postdoctoral en la División de Dispersión de Neutrones del ORNL y líder del proyecto.

"La hematita es abundante, químicamente estable y no tóxica", dijo Sun. "Al confirmar su naturaleza altermagnética, abrimos una nueva plataforma para que los ingenieros diseñen electrónica cuántica de alta velocidad y bajo consumo energético utilizando materiales que son económicos y ampliamente disponibles", según declaraciones recogidas por el ORNL.

**Ventajas de la hematita como material espintrónico**

La hematita es uno de los minerales más comunes en la Tierra. Su estabilidad en un amplio rango de temperaturas, superior a los 1.200 grados Fahrenheit (aproximadamente 649 grados Celsius), la convierte en una candidata atractiva para aplicaciones espintrónicas a temperatura ambiente sin necesidad de un consumo excesivo de energía para refrigeración, según el ORNL.

A diferencia de otros materiales altermagneticos que deben ser sintetizados, la hematita se encuentra naturalmente en grandes cantidades, lo que representa una ventaja económica y logística significativa para su potencial uso industrial.

**Metodología: dispersión inelástica de neutrones**

Para verificar las propiedades de la hematita, el equipo utilizó dispersión inelástica de neutrones en la Fuente de Neutrones por Espalación (SNS) del ORNL. Esta técnica se emplea para comprender mejor el magnetismo y las ondas de espín a escala atómica, según los investigadores.

Los neutrones no tienen carga eléctrica, pero sí poseen un momento magnético, lo que los hace especialmente adecuados para proporcionar información sobre fenómenos magnéticos en materiales altermagneticos como la hematita. Esta información no puede obtenerse con ninguna otra técnica, según el ORNL.

"La dispersión inelástica de neutrones es el único método capaz de resolver estas características espectrales finas", dijo Sun. "Proporciona resolución simultánea de momento y energía, lo que nos permitió detectar la sutil división de magnones que define el altermagnetismo", según sus declaraciones.

Los experimentos se realizaron en una muestra monocristalina utilizando el espectrómetro de chopper de amplio rango angular ARCS en la SNS, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía, según el ORNL.

**Combinación de experimentación y modelado computacional**

La investigación combinó mediciones experimentales con modelado avanzado utilizando Sunny, un software desarrollado internamente, y cálculos mediante computación de alto rendimiento en el ORNL. Sunny fue diseñado específicamente para el estudio del magnetismo cuántico, según los investigadores.

"Este fue un excelente ejemplo de cómo combinamos grandes conjuntos de datos experimentales con modelado y pudimos comparar los resultados de manera oportuna en un área de investigación que avanza rápidamente", dijo Wei Tian, científico de dispersión de neutrones también en la División de Dispersión de Neutrones del ORNL. "Es emocionante ver cómo todo encaja tan rápidamente gracias a la colaboración interna", según declaraciones recogidas por el laboratorio.

**Implicaciones y trabajo futuro**

El trabajo futuro explorará cómo las brechas de ondas de espín influyen en el transporte de calor en la hematita, lo que potencialmente podría revelar nuevos mecanismos para la gestión térmica en sistemas espintrónicos, según el ORNL.

"La confirmación del altermagnetismo en la hematita, un material tan común como el óxido, demuestra que un componente potencial para la próxima revolución en electrónica cuántica de alta velocidad y bajo consumo energético puede que ya esté a nuestro alrededor", dijo Sun.

UT-Battelle gestiona el ORNL para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía, el mayor financiador individual de investigación básica en ciencias físicas en Estados Unidos, según el laboratorio. La Oficina de Ciencia trabaja para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo, según información del Departamento de Energía.