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Gracias al descubrimiento de un material con propiedades insospechadas, el físico y profesor de la U. del Norte Rafael González junto a un grupo de la U. de Mainz, Alemania, creen estar en el camino correcto para solucionar una parte de los problemas de miniaturización, capacidad de cálculo y consumo de energía que hoy acosan a la industria electrónica.
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Por Pablo Correa Torres

pablocorreatorres@gmail.com

Los computadores para la mayoría de nosotros cumplen las tareas de una eficiente máquina de escribir. Una máquina para escribir correos, tweets, documentos en Word y algunas hojas de cálculo. También hacen el rol de una rockola mientras trabajamos y, al final del día, resultan un cine portátil.
Pero para físicos como Rafael González, profesor e investigador de la Universidad del Norte, son todo eso pero también otra cosa: un laboratorio virtual. En su caso, un laboratorio para experimentar con la búsqueda y creación de nuevos materiales. 

González estudió física en la U. Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Luego completó una maestría y doctorado en la U. Nacional de Colombia. En el camino fue definiendo que lo suyo era la simulación computacional. Al llegar a la Universidad del Norte como profesor entendió que tenía una posibilidad para hacer ciencia de punta sin tantos recursos como en otros centros de investigación avanzada en física. Los laboratorios computacionales al final de cuentas son más baratos que los que exigen grandes y costosos equipos experimentales.

El año pasado, mientras todos nos escondíamos del nuevo coronavirus, González tuvo un gran motivo para celebrar. En la revista Science Advances apareció publicado el trabajo más importante de su carrera hasta ahora. El título del artículo parece un galimatías para cualquiera de nosotros que no esté familiarizado con la física de materiales: “Ruptura de simetría de inversión de tiempo y efecto Hall espontáneo en antiferromagnetos colineales”. Un galimatías detrás del que se oculta la promesa de nuevos materiales para revolucionar el campo de la electrónica.


El Viejo efecto Hall

González es uno de los pocos físicos colombianos que han merecido una beca de la Fundación Alemana Alexander von Humboldt, una de las más prestigiosas del mundo, la cual dio un impulso a su vida académica, profesional y personal. Con esta beca, hace tres años González comenzó a colaborar con el Grupo Interdisciplinario de Espintrónica en el Instituto de Física de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz que lidera el físico profesor Jairo Sinova. Se trata de un grupo empeñado en acercar a los físicos teóricos y los físicos experimentales para revolucionar el campo de la electrónica. El “tango científico”, lo llama Sinova. “Los desarrollos de dispositivos modernos han usado tradicionalmente la carga del electrón”, explica desde Alemania González. Ordenadores, televisores, radios, todos nuestros dispositivos electrónicos funcionan porque aprendimos a aprovechar la carga de electrones en materiales como el silicio

Las corrientes eléctricas al final se traducen en 0 y 1 del sistema binario. Ese sencillo lenguaje es la base de nuestro complejo mundo digital. Sin embargo, aclara González, “hay otra propiedad de los electrones que es el espín, una propiedad intrínseca, magnética, que también usamos para almacenar información en discos duros, pero no la hemos explotado suficientemente”. Espín significa girar, y algo así es lo que ocurre a ese nivel cuántico de los electrones. Además de tener una carga eléctrica específica, un electrón puede girar sobre su propio eje en una dirección u otra y tener un espín. De ahí el nombre de esta nueva área de la tecnología: la espintrónica. Piense en un cable de cobre. Con los que se construyeron muchas redes telefónicas o los viejos radios. El cobre es un material conductor convencional. Al aplicarse una corriente, los átomos que lo componen permiten que esa corriente fluya en una dirección. Pero además, como lo descubrió en 1879
el profesor Edwin Hall, si además ese mismo cobre se sometía a un campo magnético externo aparecía un fenómeno curioso: una parte de la corriente se desviaba en un ángulo de 90 grados. Ese efecto, conocido como efecto Hall, comenzó a ser usado para elegir materiales útiles en la construcción de dispositivos electrónicos. Sin embargo, el mismo Hall quien fue por muchos años profesor en la U. de Harvard, alcanzó a descubrir que algunos materiales como el hierro o los imanes comunes y corrientes, conocidos como ferromagnéticos, presentaban ese efecto Hall de forma espontánea, sin necesitar un campo magnético externo. Luego se descubriría que lo crean los electrones de los átomos a través de su espín. Cada átomo es como un pequeño imán. Gracias a ese descubrimiento hoy podemos comprar memorias magnéticas y construir cierto tipo de sensores que explotan esa característica.

Siguiendo ese descubrimiento, y antes de volver al trabajo del Grupo de Mainz y el trabajo de González, a mitad de camino, en 1970, el profesor Louis Néel ganó un Premio Nobel por descubrir un conjunto de materiales que llamó “antiferromagnéticos”. En ellos, el espín de los átomos se organizan en direcciones completamente opuestas anulando entre sí el tal efecto Hall espontáneo. Conclusión: siendo diferentes se comportaban igual que el cobre y ese tipo de materiales antiferromagnéticos. Néel pensó que estos materiales eran interesantes pero no vislumbró con claridad su aplicación.

¿Confundido?

Recapitulemos: existen los materiales ferromagnéticos (que nos fascinan porque creamos con ellos imanes y los hemos metido dentro de cuanto aparato electrónico nos rodea) pero ya conocemos sus limitaciones. Cada vez son más escasos y exprimimos al máximo sus propiedades. Entonces las miradas se  han dirigido hacia los antiferromagnéticos. Pero tienen un problema: sus átomos anulan el efecto Hall espontáneo. La pregunta que le planteó el grupo de Mainz a González experto en simulaciones de materiales por computador y a su colega Libor Šmejkal, fue precisamente esa: ¿será posible tener un material antiferromagnético pero capaz de generar el efecto Hall de manera espontánea?

“Se sabe desde hace varias décadas que los materiales no magnéticos y antiferromagnéticos no generan corrientes de Hall individualmente. Sin embargo, en nuestro trabajo encontramos un material con una intrigante combinación de átomos no magnéticos y antiferromagnéticos que genera espontáneamente un corriente de Hall destacable”, explica González. Se trata del óxido de rutenio.

En Uninorte, González y su grupo venían trabajando con un supercomputador con cerca de 1.000 procesadores. Para esta investigación fue necesario acceder a un mayor nivel de cómputo y en la U. de Mainz echaron mano de una supermáquina que tiene unos 50.000 procesadores.
 


Figura 1. Los electrones (paquetes de ondas grises) en materiales antiferromagnéticos (izquierda) y no magnéticos (centro) se mueven a lo largo de la corriente eléctrica aplicada. Sin embargo, la combinación de estos materiales (derecha) hace que los electrones adquieran una desviación perpendicular a su movimiento (corriente Hall).

Las ventajas que se asoman con este tipo de materiales detonan el optimismo de los físicos: son magnéticamente invisibles así que se pueden empaquetar de manera muy compacta y permitir un alto grado de miniaturización para aplicaciones en nanoelectrónica moderna; permiten velocidades de cómputo mayores; ahorrar energía en la medida que generan menos calor. Y, en términos ambientales, desactivar la bomba de tiempo que implica la explotación mundial de los ferromagnéticos.

Miguel Ricardo Sierra Cortes, estudiante del doctorado en Ciencias Naturales de la Uninorte, sigue por la misma senda de su tutor González. Su esfuerzo se ha concentrado en otro material en el que previamente, y de forma experimental, se  detectó la presencia de la corriente Hall. Se trata de una mezcla de cobalto, niobio y azufre. “En mi caso se sabía que estaba presente el efecto Hall espontáneo pero no se terminaba de entender por qué”, cuenta. Así que a punta de ecuaciones y computación, logró confirmar que si existe el efecto Hall espontáneo en ese material y una explicación física más sólida.

“El placer de descubrir algo nuevo es impresionante, es un sentimiento abrumador. Este descubrimiento me recordó que en física aún hay muchas cosas por revelar”, dice González. “Ese placer llena de energía para seguir haciendo física. Eso trato de transmitir a mis estudiantes y colegas, que aún haciendo ciencia en un país en desarrollo se puede hacer ciencia de punta. Es cuestión de hacerse la pregunta adecuada y sentarse a trabajar en equipo”.

Realizar una estancia de investigación en Alemania, con el apoyo de la Fundación Alexander von Humboldt, fue un gran avance para la carrera profesional de Rafael González, pues trabajó mano a mano con científicos de la élite mundial en su línea de investigación (la espintrónica). Adicionalmente, el apoyo de la Fundación es de largo aliento y González colabora en proyectos de investigación conjuntos donde participan estudiantes y colegas de la Universidad del Norte y la Universidad de Mainz.
 
"Me gustaría expresar mi profunda gratitud a la Fundación Alexander von Humboldt, es un gran honor y me siento muy orgulloso de ser parte de esta red mundial de investigadores de vanguardia. Espero que más científicos colombianos se unan y hagan parte de la familia humboldiana", enfatiza el profesor González.
Rafael González

Rafael González

Investigador de la Universidad del Norte

Jairo Sinova

Jairo Sinova

Investigador de la Universidad de Mainz

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