Los investigadores proponen un método para magnetizar un material sin aplicar un campo magnético externo.
El estudio demuestra que el fenómeno puede producirse mediante compresión adiabática, sin intercambio de calor con el entorno. El proceso alinea los espines de las partículas del material y magnetiza el sistema.
Magnetizar un material sin aplicar un campo magnético externo es lo que proponen los investigadores de la Universidad del Estado de São Paulo (UNESP), en Brasil, en un artículo publicado en la revista Scientific Reports, donde detallan el enfoque experimental utilizado para lograr este objetivo.
El estudio forma parte de la investigación de doctorado realizada por Lucas Squillante bajo la supervisión de Mariano de Souza, profesor del Departamento de Física de la UNESP en Río Claro. También contribuyeron Isys Mello, otra candidata al doctorado supervisada por Souza, y Antonio Seridonio, profesor del Departamento de Física y Química de la UNESP en Ilha Solteira. El grupo contó con el apoyo de la FAPESP.
"En pocas palabras, la magnetización se produce cuando una sal se comprime adiabáticamente, sin intercambiar calor con el entorno externo", explicó Souza. "La compresión eleva la temperatura de la sal y al mismo tiempo reordena los espines de sus partículas. Como resultado, la entropía total del sistema permanece constante y el sistema sigue magnetizado al final del proceso".
Para ayudar a entender el fenómeno, conviene recordar los fundamentos del espín y la entropía.
El espín es una propiedad cuántica que hace que las partículas elementales (quarks, electrones, fotones, etc.), las partículas compuestas (protones, neutrones, mesones, etc.) e incluso los átomos y las moléculas se comporten como pequeños imanes, apuntando al norte o al sur -espín arriba y espín abajo- cuando se someten a un campo magnético.
"Los materiales paramagnéticos, como el aluminio, que es un metal, se magnetizan sólo cuando se aplica un campo magnético externo. Los materiales ferromagnéticos, incluido el hierro, pueden mostrar una magnetización finita incluso en ausencia de un campo magnético aplicado porque tienen dominios magnéticos", explicó Souza.
La entropía es básicamente una medida de las configuraciones o estados accesibles del sistema. Cuanto mayor sea el número de estados accesibles, mayor será la entropía. El físico austriaco Ludwig Boltzmann (1844-1906), utilizando un enfoque estadístico, asoció la entropía de un sistema, que es una magnitud macroscópica, con el número de posibles configuraciones microscópicas que constituyen su macroestado. "En el caso de un material paramagnético, la entropía encarna una distribución de probabilidades que describe el número de giros hacia arriba o hacia abajo de las partículas que contiene", dijo Souza.
En el estudio recientemente publicado, se comprimió una sal paramagnética en una sola dirección. "La aplicación de una tensión uniaxial reduce el volumen de la sal. Como el proceso se lleva a cabo sin ningún intercambio de calor con el entorno, la compresión produce un aumento adiabático de la temperatura del material. Un aumento de la temperatura significa un aumento de la entropía. Para mantener constante la entropía total del sistema, debe haber un componente de reducción local de la entropía que compense el aumento de la temperatura. Como resultado, los espines tienden a alinearse, lo que conduce a la magnetización del sistema", dijo Souza.
La entropía total del sistema permanece constante, y la compresión adiabática da lugar a la magnetización. "Experimentalmente, la compresión adiabática se consigue cuando la muestra se comprime durante menos tiempo que el necesario para la relajación térmica, el tiempo típico que tarda el sistema en intercambiar calor con el entorno", dijo Souza.
“Elastocaloric-effect-induced adiabatic magnetization in paramagnetic salts due to the mutual interactions” by Lucas Squillante, Isys F. Mello, Antonio C. Seridonio and Mariano de Souza, 3 May 2021, Scientific Reports.