NeoFronteras

Científicos trabajan con un nuevo tipo de frustración en unos materiales magnéticos ya conocidos y denominados vidrios de spin.

Estructura cristalina del PrAu2Si2. Las flechas rojas indican la dirección y sentido en el que apuntaría los momentos magnéticos si no hubiera frustración. Foto: ANL.

¿Qué tiene que ver un banco de peces con un material magnético? Pues quizás mucho, pero primero recordemos unos conceptos básicos.
En un cristal los átomos que lo constituyen están ordenados de tal manera que forman una red cristalina. Por el contrario, en un vidrio (como el de su ventana) los átomos que lo forman están desordenados. Los átomos o moléculas tienden a formar estructuras cristalinas de manera natural, pero si hay algo que se lo impide, como por ejemplo un proceso de enfriamiento rápido que les impida tener tiempo suficiente parar disponerse ordenadamente, o el añadido de una sustancia que frustre este ordenamiento, entonces tendremos un vidrio.
Volviendo a la pregunta inicial de qué tiene que ver un banco de peces con un material magnético, podemos decir que ambos pueden presentar propiedades emergentes a partir de interacciones elementales. Los peces se comportan como un todo en el banco pese a que desconocen dónde está cada uno de sus compañeros. Pero a cada uno le basta con saber dónde están sus vecinos más próximos, ver lo que éstos hacen y seguir unas regles sencillas para que aparezca el comportamiento colectivo. Los vidrios de spin son unos materiales curiosos. El nombre de vidrio no proviene de su grado transparencia sino del orden que guardan entre sí los spines de sus átomos. Es decir, la sustancia en cuestión puede formar una estructura cristalina pero los momentos magnéticos de sus átomos, determinados por los spines, no hacerlo.
Los momentos magnéticos tienen a ordenarse según lo hacen sus vecinos (como los peces del banco). Si la interacción es ferromagnética (como en un imán) un momento magnético tenderá a ordenarse apuntado en el mismo sentido que sus vecinos. Por eso un imán funciona como un imán, muchos de sus momentos magnéticos apuntan en el mismo sentido y al final tenemos un campo magnético neto. Si la interacción es antiferromagnética un spin tenderá, por el contrario, a ordenarse en sentido opuesto al de su vecino.
Si no interviene ningún factor más no hay ningún problema y tendremos nuestro material magnético ordenado según una de esas dos interacciones básicas y formando sus dominios magnéticos. El estado de mínima energía, denominado fundamental, existirá y será único.
Supongamos ahora que introducimos frustración en el sistema. Ésta puede ser, por ejemplo, debida a que la red cristalina es triangular. Un momento magnético se ordena favorablemente respecto a su vecino según la interacción antiferromagnética pero desfavorablemente respecto al otro y se frustra. Como el número de vecinos es siempre tres siempre hay frustración. Algo similar pasa cuando tenemos una red cuadrada pero diluimos el material con átomos no magnéticos. Una interacción aleatoria estática entre los momentos magnéticos produce un tipo similar de frustración.
El estudio de vidrios de spin no es sencillo, tanto desde el punto de vista experimental como cuando se intenta modelizar sus comportamientos. Los modelos de Monte Carlo con los que se suelen estudiar requieren de una alta capacidad de cómputo. Los vidrios de spin pueden tener más de un estado fundamental y muchos mínimos locales en donde cae el sistema y de donde es difícil sacarlo.
Ahora Raymond Osborn de Argonne National Laboratory han encontrado la causa de por qué el compuesto PrAu₂Si₂ termina siendo un vidrio de spin. Durante diez años este material ha estado intrigando a los expertos, pues no se veía la fuente de frustración en este caso. Ahora parece que han resuelto el problema.
En lugar de haber una frustración estructural, o una frustración estática de otro tipo, la causa es una frustración dinámica (dependiente del tiempo) consistente en fluctuaciones magnéticas. Hay fluctuaciones porque los momentos magnéticos del material son inestables y pueden ser destruidos temporalmente por electrones difundidos.
Este nuevo tipo de frustración revela según Osborn una nueva clase de materiales cuyo comportamiento es gobernado por el desorden dinámico en lugar de por el estático.
Este resultado también podría permitir a los físicos escoger el grado de frustración y desarrollar nuevos materiales de este tipo y saber más sobre estos sistemas.
Los procesos de frustración están presentes en otros sistemas y el desarrollo de modelos que los expliquen puede ayudar a entenderlos mejor. Un caso concreto es el plegado de proteínas que, de momento, no puede ser predicho a partir de la secuencia de aminoácidos. Saber cómo hacerlo permitiría el desarrollo de nuevos fármacos.
Por tanto hay una relación entre fármacos, los materiales magnéticos, los bancos de peces o las bandadas de aves. ¿Quién lo iba a decir?

Fuentes y referencias:
Artículo original en Nature Physics (de pago).