Representación de la orientación de los momentos magnéticos en la red organometálica que da lugar a una capa bidimensional con grosor de un único átomo.
Un equipo de investigación internacional ha logrado por primera vez observar ferromagnetismo bidimensional en una estructura organometálica. Dicha estructura logra una mayor estabilidad magnética que cualquier otro sistema bidimensional similar estudiado hasta la fecha, constituyendo el imán más delgado jamás observado y con menor concentración de metales magnéticos.
Este equipo de investigación teórica y experimental ha sido dirigido por científicos del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) en Zaragoza y el Centro de Física de Materiales (CFM) en Donostia-San Sebastián, junto con investigadores de la línea BOREAS en el sincrotrón ALBA, miembros del ICMM en Madrid, la Universidad Técnica de Zurich, el CONICET de Argentina y la Universidad de La Laguna, más concretamente el profesor Fernando Delgado, del Departamento de Física. El trabajo ha sido publicado recientemente en Nature Communications.
Los materiales ferromagnéticos constituyen lo que comúnmente se conoce como imanes. A nivel microscópico, su principal propiedad es que los momentos magnéticos de los átomos del material, los constituyentes básicos de la materia, se alinean entre sí, dando lugar a un momento magnético total observable macroscópicamente.
Los físicos describen esta propiedad mediante una magnitud: la magnetización. Así, un material con mayor magnetización será un imán más fuerte o duro. Los imanes duros juegan un papel fundamental en la sociedad, desde la industria electrónica para el almacenamiento de información, sensores aplicables a una gran variedad de campos (biomedicina, industria del automóvil, militar, robótica), construcción de turbinas hidráulicas para generación de electricidad y aerogeneradores, o motores eléctricos. Son, por lo tanto, de gran importancia para la descarbonización de la economía.
La dureza de estos imanes viene determinada por dos cantidades fundamentales: Por un lado, la llamada temperatura de Curie TC, por encima de la cual el imán deja de comportarse como tal. Por otra, el llamado campo coercitivo Bc, que corresponde al campo magnético que sería necesario aplicar al material para anular su magnetización, dando una idea de la resistencia del material a ser desimantado.
El investigador de la ULL Fernando Delgado. (Cedida).
Dado este extenso campo de aplicaciones, resulta de gran interés poder generar imanes lo más delgados y duros posibles, reduciendo así el coste en términos de material (o de dióxido de carbono generado en su procesamiento), donde el límite último estaría determinado por la escala atómica.
Una de las propuestas más interesantes viene en forma de las denominadas redes de coordinación organometálicas bidimensionales (2D-MOCN, por sus siglas en inglés). Entre otras ventajas, los 2D-MOCN son técnicamente sencillos de fabricar siguiendo protocolos de autoensamblaje cercanos a la temperatura ambiente, lo que reduce notablemente los costes de fabricación. Además, estos 2D-MOCN se pueden generar a partir de distintos átomos metálicos magnéticos depositados sobre sustratos no magnéticos, dando lugar a estructuras periódicas fácilmente escalables. Sin embargo, y a pesar de estas prometedoras propiedades, hasta ahora no se había podido sintetizar ningún 2D-MOCN que exhibiera explícitamente ferromagnetismo en dos dimensiones.
Los resultados son especialmente llamativos, ya que una cantidad escasa de átomos de hierro (~5% de una monocapa) da lugar a una magnetización fuera del plano con un campo coercitivo de unos 2 Teslas, el equivalente a unos diez millones de veces el campo terrestre, y una temperatura de Curie de unos 35 K (-238 ºC). Estos valores son cercanos a los valores récord obtenidos hasta la fecha basados en capas de materiales bidimensionales que interactúan mediante las llamadas fuerzas de van der Waals, mucho más difíciles de sintetizar y con concentraciones mucho más altas de elementos magnéticos.
Estos hallazgos aúnan más de dos décadas de búsqueda de ferromagnetismo en 2D-MOCN, representando un claro avance en la ciencia de superficies y el magnetismo. Con este paso fundamental, el equipo investigador espera fomentar el estudio de nuevos materiales 2D-MOCN magnéticos que puedan dar lugar a imanes bidimensionales estables a temperaturas mucho más altas y con bajas densidades de metales magnéticos, que pueden resultar de difícil acceso o alto precio, como el cobalto, cada vez más relevante tecnológicamente (y problemático a nivel geopolítico).
