Momentos magnéticos para el grafeno

El átomo de hidrógeno presenta el momento magnético más pequeño. El grafeno, sin embargo, no es magnético

Imanes atómicos con hidrógeno y grafeno

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Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han demostrado que la manipulación selectiva de átomos de hidrógeno posibilita la confección de grafeno magnético con precisión atómica.

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Imagen de un átomo de hidrógeno sobre una superficie de grafeno obtenida por Héctor González mediante microscopía de efecto túnel. Las líneas que se superponen en la imagen ilustran el campo magnético generado por dicho átomo de hidrógeno en grafeno.
Imagen de un átomo de hidrógeno sobre una superficie de grafeno obtenida por Héctor González mediante microscopía de efecto túnel. Las líneas que se superponen en la imagen ilustran el campo magnético generado por dicho átomo de hidrógeno en grafeno.

UAM / Todos recordamos haber tenido un imán en nuestras manos y ver cómo éste era capaz de atraer o repeler a otro imán a una cierta distancia, que era mayor o menor en función de su potencia. Pues bien, lo que definía realmente este comportamiento era el momento magnético de nuestro par de imanes.

La distancia a la cual empezábamos a sentir la aparición de una fuerza venía dada por la extensión espacial de sus momentos magnéticos y el hecho de que esa fuerza fuera atractiva o repulsiva dependía de la orientación relativa entre los mismos; por eso, al girar uno de los imanes, pasaban de atraerse a repelerse y viceversa.

El átomo de hidrógeno presenta el momento magnético más pequeño. El grafeno, una lámina de un átomo de espesor formada únicamente por átomos de carbono, posee una ingente cantidad de cualidades; sin embargo, no es magnético. ¿Qué ocurriría si uniésemos ambos materiales?

Esto es lo que ha implementado la investigación liderada por Iván Brihuega, del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).

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Un átomo de hidrógeno transfiere su momento magnético a una capa de grafeno

Los experimentos que ha llevado a cabo, publicados en la revista Science, revelan cómo un átomo de hidrógeno transfiere su momento magnético a una capa de grafeno al tocarla.

Los momentos magnéticos inducidos interaccionan fuertemente entre ellos a grandes distancias

En contraposición a los materiales magnéticos más comunes, como el hierro, el níquel o el cobalto, donde el momento magnético que genera cada átomo está localizado en unas pocas décimas de nanómetro (un nanómetro es una millonésima parte de un milímetro), el momento magnético inducido en grafeno por cada átomo de hidrógeno se extiende varios nanómetros, presentando, a su vez, una modulación a la escala atómica.

“Nuestros resultados muestran que esos momentos magnéticos inducidos interaccionan fuertemente entre ellos a grandes distancias (en comparación con la escala atómica)”, explica Iván Brihuega, coautor del artículo.

Siguen, además, una regla particular: los momentos magnéticos se suman o neutralizan dependiendo críticamente de la posición relativa entre los átomos absorbidos de hidrógeno. “Además, e igualmente importante, hemos conseguido manipular de forma controlada los átomos individuales de hidrógeno, lo que nos ha permitido establecer a voluntad las propiedades magnéticas de regiones seleccionadas de grafeno”, añade Brihuega.

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Brillante futuro para el grafeno

Desde que fue posible la obtención de grafeno por primera vez en el año 2004, laboratorios de todo el mundo han intentado incorporar el magnetismo a la larga lista de propiedades de este material puramente bidimensional.

El grafeno es un material flexible y biocompatible; y, por lo tanto, el hecho de poder manufacturar grafeno magnético permitiría disponer, desde plásticos y tejidos magnéticos, hasta nanopartículas para tratar el cáncer.

Además, el grafeno es, a priori, un material ideal para su uso en tecnología espintrónica. Esta prometedora tecnología pretende sustituir a la tradicional electrónica, transmitiendo, al mismo tiempo, información magnética y electrónica, lo que podría dar lugar a una generación radicalmente nueva de computadores.

Podría dar lugar a una generación radicalmente nueva de computadores

Los resultados obtenidos en este trabajo, que muestran la posibilidad de generar momentos magnéticos a voluntad en grafeno y cómo éstos pueden comunicarse a grandes distancias, anticipan un brillante futuro para este material, tanto en el emergente campo de la espintrónica, como para su uso en dispositivos magnéticos flexibles y biocompatibles.

Los experimentos han sido realizados íntegramente en el Instituto de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) mediante un potente tipo de microscopio, denominado microscopio de efecto túnel.

Dicho microscopio permite visualizar y manipular la materia a escala atómica. Los resultados experimentales se complementan con sofisticados cálculos teóricos, también realizados por científicos del IFIMAC.

Cabe resaltar que, tanto el microscopio empleado –un microscopio de efecto túnel que trabaja a bajas temperaturas (4 K) en ambientes de ultra-alto-vacío– como el programa de cálculo SIESTA –un eficiente código basado en primeros principios–, han sido desarrollados íntegramente en la UAM.

Las muestras de grafeno se sintetizaron inicialmente en l’Institut Néel de Grenoble (Francia).

El trabajo cuenta, a su vez, con la colaboración del centro de investigación CIC nanoGUNE.

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Referencia bibliográfica:

Héctor González-Herrero, José Mª. Gómez-Rodríguez, Pierre Mallet, Mohamed Moaied, Juan José Palacios, Carlos Salgado, Miguel M. Ugeda, Jean-Yves Veuillen, Félix Ynduráin e Iván Brihuega. Atomic-scale control of graphene magnetism by using hydrogen atoms. Science. Doi: 10.1126/science.aad8038

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