Magnetismo de Sistemas Nanoscopicos, Algunas Aplicaciones

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nes de Gilbert, médico y físico londinense, sirvieron de base para los trabajos de otros gigantes como New- ton, Halley, Gauss y Oersted. Cuatrocientos años después siguen surgiendo aplicaciones en las que el magnetismo cumple un papel importante. Una de esas áreas es la fabrica- ción y estudio de materiales magnéticos y nanoes- tructurados. Para fabricar estos últimos es necesario manipular objetos del tamaño de los átomos, las moléculas o los agrupamientos de moléculas; aque- llos cuya longitud va desde 1 hasta los 100 nanóme- tros (nm). La finalidad es crear materiales para dis- positivos y sistemas con nuevas propiedades que permitan funciones específicas que emulen, o no, a la naturaleza. Para hacernos una imagen de los tamaños involucrados, usaremos como referencia el diámetro de un cabello humano que es de aproxi- madamente 10.000nm. La molécula de agua mide alrededor de 1nm y el espesor de una película del- gada y el tamaño de una nanopartícula van desde unos pocos nm a algunas decenas de nm. Si asig- namos al diámetro de un cabello humano las dimen- siones de una cancha de fútbol, un nanómetro correspondería a una moneda de cinco centavos. Las nuevas propiedades que se observan en los sistemas creados con herramientas y técnicas nano- métricas no se pueden predecir por lo general a partir del material a gran escala. Fenómenos como confina- miento por tamaño, predominio de las interfaces (o superficies) y los efectos de la física cuántica dominan solo en la escala nanométrica. Una vez en control del tamaño del sistema se pueden intensificar las nuevas propiedades del material y se abre el camino para apli- caciones en dispositivos novedosos. En el caso de los materiales magnéticos, fenómenos nuevos como la ‘magnetorresistencia gigante’ (ver recuadro ‘Electróni- ca del espín (espintrónica)’) o los sistemas con alta densidad de información, o bien el avance en la tecno- logía de imanes permanentes gracias a los sistemas de nanopartículas, constituyen todos propiedades nuevas que surgen a esta escala. La unión de la investigación en el conocimiento básico de la física de los materiales y la investigación aplicada en el diseño de dispositivos abren la puerta a estas aplicaciones. Dentro de este marco, haremos un breve paseo por algunos temas sobre nanoestructuras magnéticas que se están estu- diando y desarrollando en nuestro país y en el mundo. Nanopartículas magnéticas Las nanopartículas magnéticas de diversos materia- les han sido sistemas ampliamente estudiados duran- te varias décadas. Tomemos, por ejemplo, los materia- les ferromagnéticos. En ellos cada campo magnético de origen atómico es producido por un dipolo o un momento magnético y cada uno está ordenado con los otros, o sea, todos permanecen perfectamente orientados y unidos por una fuerza cohesiva. A la ener- gía involucrada en este proceso los físicos la llamamos ‘energía de intercambio’. Si queremos cambiar la dirección de uno de los dipolos, los restantes tratarán de mantenerlo en su posición. Una imagen análoga es la de la tradicional cerca de madera con muchas tablas verticales unidas 40 CIENCIA HOY VOLUMEN 15 Nº 85 (FEBRERO-MARZO, 2005) 41 E n sus seis tomos escritos en latín, se describían aspectos sobre el fenómeno magnético y se enun- ciaba la hipótesis de que el centro de la Tierra era un gran imán. Este centro genera un ‘campo magnéti- co’ que es capaz de orientar la aguja imantada de una brújula. No sabemos cuán motivados estaban los estudios de William Gilbert por aplicaciones tecnoló- gicas, pero concretamente dio una explicación cabal al funcionamiento del compás para la navegación. Si bien chinos, árabes y el mismo Colón lo habían utili- zado anteriormente, la razón de su funcionamiento y por qué su aguja no apuntaba hacia el norte geográfi- co no tenían todavía una respuesta clara. Las conse- cuencias de sus estudios sistemáticos, los primeros que podríamos llamar científicos en el área de mag- netismo, permitirían años más tarde que los marinos se internasen mar adentro con mayor tranquilidad y poder seguir, por ejemplo, una ruta sin perder el rumbo por inclemencias del tiempo y sin la necesidad de ver las estrellas para orientarse. Este avance tecno- lógico le sirvió a Inglaterra para iniciar una etapa de navegación transatlántica que le permitió la conquista de América del Norte con sus consecuentes beneficios económicos. También sabemos que las investigacio- ARTÍCULO Magnetismo de sistemas nanoscópicos, algunas aplicaciones Rodolfo D Sánchez y Roberto D Zysler Instituto Balseiro y Centro Atómico Bariloche, Comisión Nacional de Energía Atómica En 1600, bajo el reinado de Elizabeth I, cuando en Londres se podían apreciar las obras de Shakespeare y la peste bubónica ocasionaba desmanes en la población citadina, un médico y físico inglés, William Gilbert, publicó un tratado de magnetismo conocido como De Magnete. ¿Qué es el nanómetro? 1 nanómetro = 1 mil-millonésima parte del metro (10 m) 1 nanómetro cúbico = 260 átomos de carbono -9 2m 1 persona = 1cm 1 hormiga = 20 micrómetros (20 x 10 m) -5 1 célula = 25 nanómetros (25 x 10 m) -9 1 ribosoma = Portada del libro de William Gilbert, De Magnete de la edición de 1628.

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nes de Gilbert, médico y físico londinense, sirvieron debase para los trabajos de otros gigantes como New-ton, Halley, Gauss y Oersted.

Cuatrocientos años después siguen surgiendoaplicaciones en las que el magnetismo cumple unpapel importante. Una de esas áreas es la fabrica-ción y estudio de materiales magnéticos y nanoes-tructurados. Para fabricar estos últimos es necesariomanipular objetos del tamaño de los átomos, lasmoléculas o los agrupamientos de moléculas; aque-llos cuya longitud va desde 1 hasta los 100 nanóme-tros (nm). La finalidad es crear materiales para dis-positivos y sistemas con nuevas propiedades quepermitan funciones específicas que emulen, o no, ala naturaleza. Para hacernos una imagen de lostamaños involucrados, usaremos como referencia eldiámetro de un cabello humano que es de aproxi-madamente 10.000nm. La molécula de agua midealrededor de 1nm y el espesor de una película del-gada y el tamaño de una nanopartícula van desdeunos pocos nm a algunas decenas de nm. Si asig-namos al diámetro de un cabello humano las dimen-siones de una cancha de fútbol, un nanómetrocorrespondería a una moneda de cinco centavos.

Las nuevas propiedades que se observan en lossistemas creados con herramientas y técnicas nano-métricas no se pueden predecir por lo general a partirdel material a gran escala. Fenómenos como confina-miento por tamaño, predominio de las interfaces (osuperficies) y los efectos de la física cuántica dominansolo en la escala nanométrica. Una vez en control deltamaño del sistema se pueden intensificar las nuevaspropiedades del material y se abre el camino para apli-caciones en dispositivos novedosos. En el caso de losmateriales magnéticos, fenómenos nuevos como la‘magnetorresistencia gigante’ (ver recuadro ‘Electróni-ca del espín (espintrónica)’) o los sistemas con altadensidad de información, o bien el avance en la tecno-logía de imanes permanentes gracias a los sistemas denanopartículas, constituyen todos propiedades nuevasque surgen a esta escala. La unión de la investigaciónen el conocimiento básico de la física de los materialesy la investigación aplicada en el diseño de dispositivosabren la puerta a estas aplicaciones. Dentro de estemarco, haremos un breve paseo por algunos temassobre nanoestructuras magnéticas que se están estu-diando y desarrollando en nuestro país y en el mundo.

Nanopartículas magnéticas

Las nanopartículas magnéticas de diversos materia-les han sido sistemas ampliamente estudiados duran-te varias décadas. Tomemos, por ejemplo, los materia-les ferromagnéticos. En ellos cada campo magnéticode origen atómico es producido por un dipolo o un

momento magnético y cada uno está ordenado conlos otros, o sea, todos permanecen perfectamenteorientados y unidos por una fuerza cohesiva. A la ener-gía involucrada en este proceso los físicos la llamamos‘energía de intercambio’.

Si queremos cambiar la dirección de uno de losdipolos, los restantes tratarán de mantenerlo en suposición. Una imagen análoga es la de la tradicionalcerca de madera con muchas tablas verticales unidas

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E n sus seis tomos escritos en latín, se describíanaspectos sobre el fenómeno magnético y se enun-ciaba la hipótesis de que el centro de la Tierra era

un gran imán. Este centro genera un ‘campo magnéti-co’ que es capaz de orientar la aguja imantada de unabrújula. No sabemos cuán motivados estaban losestudios de William Gilbert por aplicaciones tecnoló-gicas, pero concretamente dio una explicación cabal alfuncionamiento del compás para la navegación. Sibien chinos, árabes y el mismo Colón lo habían utili-zado anteriormente, la razón de su funcionamiento ypor qué su aguja no apuntaba hacia el norte geográfi-

co no tenían todavía una respuesta clara. Las conse-cuencias de sus estudios sistemáticos, los primerosque podríamos llamar científicos en el área de mag-netismo, permitirían años más tarde que los marinosse internasen mar adentro con mayor tranquilidad ypoder seguir, por ejemplo, una ruta sin perder elrumbo por inclemencias del tiempo y sin la necesidadde ver las estrellas para orientarse. Este avance tecno-lógico le sirvió a Inglaterra para iniciar una etapa denavegación transatlántica que le permitió la conquistade América del Norte con sus consecuentes beneficioseconómicos. También sabemos que las investigacio-

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Magnetismo de sistemasnanoscópicos, algunas aplicacionesRodolfo D Sánchez y Roberto D ZyslerInstituto Balseiro y Centro Atómico Bariloche, Comisión Nacional de Energía Atómica

En 1600, bajo el reinado de Elizabeth I, cuando en Londres se podían

apreciar las obras de Shakespeare y la peste bubónica ocasionaba

desmanes en la población citadina, un médico y físico inglés, William

Gilbert, publicó un tratado de magnetismo conocido como De Magnete.

¿Qué es el nanómetro?

1 nanómetro = 1 mil-millonésima parte del metro (10 m)

1 nanómetro cúbico = 260 átomos de carbono

-9

2m1 persona =

1cm1 hormiga =

20 micrómetros (20 x 10 m)-5

1 célula =

25 nanómetros(25 x 10 m)-9

1 ribosoma =

Portada del libro

de William Gilbert,

De Magnete de la

edición de 1628.

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de contribución superficial. En la figura queda clara-mente demostrado el efecto superficial sobre la mag-netización de las partículas. Esto indica que si quere-mos fabricar un imán con pequeñas partículas, estasno pueden ser demasiado pequeñas porque si no ten-dríamos poca magnetización para la fuerza en el imán.

Otra de las propiedades físicas interesantes quepresentan las nanopartículas magnéticas es que su‘campo coercitivo’, el campo magnético externonecesario para anular su magnetización (ver recua-dro ‘Conceptos básicos -Hc-‘), tiene una fuertedependencia con el tamaño. En la figura II del recua-dro ‘La dependencia del tamaño sobre la magnetiza-ción y el campo coercitivo’ mostramos la curva delcampo coercitivo en función del diámetro medio delas partículas.

El campo coercitivo es una variable importante parafabricar imanes dado que un tamaño óptimo de partí-cula es aquel con mayor Hc (además de una alta mag-netización). Las últimas investigaciones muestran quehay un esfuerzo importante para tratar de comprender

cómo es el papel que juegan las interacciones entrepartículas. Sabemos que los dipolos tratarán de encon-trar un arreglo en sus orientaciones de forma tal deminimizar la energía contenida en el campo magnético.

Ahora que ya sabemos cómo son algunos de loscomportamientos magnéticos de pequeñas partículaso cristales veremos algunas aplicaciones y formas enque se pueden acomodar formando estructurasnanométricas. Como anticipamos, en algunos casoses posible cambiar las propiedades del material.

Nanopartículas magnéticas recubiertas

Para diversas aplicaciones se requiere fabricarnanopartículas con un mismo tamaño o, por lomenos, con poca dispersión en tamaño. Además,como vimos, la relación de la superficie respecto delvolumen crece al reducir las dimensiones de la partí-cula. Esta superficie puede aprovecharse para recu-brirla con otra sustancia. ¿Con qué fin? Las nanopartí-

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por dos travesaños (estado ordenado). Si nos apoya-mos sobre una de las tablas verticales, la unión entreellas ejerce una fuerza que se opone a nuestra accióny que impide que la tabla se incline lo suficiente comopara tocar el suelo. Esta fuerza o unión juega un papelimportante entre los dipolos obligándolos a queactúen en forma cooperativa. Para vencer esta ener-gía de cohesión se necesita otra; energía térmica, porejemplo. A la temperatura por encima de la cual losdipolos se desordenan completamente se la denomi-na temperatura de orden (Tc), algo así como si alcan-zada esta temperatura los travesaños de la cerca desa-parecen repentinamente y las tablas caen para unlado y otro y algunas quedan paradas (estado desor-denado). Ahora, si bajamos la temperatura por deba-jo de Tc, espontáneamente aparecen nuevamente lostravesaños y se forma una cerca perfectamente orde-nada. Los sistemas reales, como el hierro, cobalto yníquel, por ejemplo, tienen una Tc de 1050°C, 1380°C y630°C respectivamente. A mayor temperatura deorden, mayor es la energía de intercambio involucrada.

Por otro lado, un dipolo ubicado en la superficie dela partícula tiene menos vecinos, sufre menos la coo-peración entre dipolos que uno interno y se ve máslibre para cambiar de orientación. Entonces, al dismi-nuir el tamaño de las partículas aumenta la relaciónsuperficie a volumen, y decrece la cantidad de dipolosordenados en la misma dirección. Esto quiere decirque la magnetización total del material, que mide lasuma de los dipolos orientados en la misma dirección,también decrece (ver recuadro ‘Conceptos básicos’).En síntesis, la superficie suele ser menos magnéticaque el centro de la partícula. En la figura I del recua-dro ‘La dependencia del tamaño sobre la magnetiza-ción y el campo coercitivo’, se puede apreciar cómola magnetización de un gramo de material disminuyenotablemente al disminuir el tamaño de las partícu-las. La superficie es proporcional al cuadrado del diá-metro de la partícula promedio, mientras que el volu-men es proporcional al cubo de este. El cocientesuperficie/volumen, deberá ser entonces proporcionala la inversa del diámetro de la partícula si hay efecto

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¿Qué es un campo magnético?Una de las ideas fundamentales enmagnetismo es la de campo magnético. Laexperiencia más familiar que tenemos desu existencia es lo que ocurre en unabrújula. Una pequeña aguja imanada,suspendida desde su centro, es capaz deorientarse en la dirección de un campomagnético, en este caso es el producidopor el centro de la Tierra compuestofundamentalmente de hierro y níquel queson materiales ferromagnéticos. Otroefecto que puede observarse de un campomagnético se da cuando usamos un imánpara atraer agujas o tornillos. El materialmagnético (tornillos de hierro o agujas) es

atraído por la presencia del campo delimán permanente. Otro ejemplo quepodemos considerar es el de un cableconductor, por el cual circula una corrientecontinua, y es atraído por la presencia deun campo magnético. Este fenómeno fueexplicado por Oersted en 1819, aunque en1600 Gilbert ya tenía una sospecha de laconexión entre la electricidad y elmagnetismo. Un hecho similar ocurretambién con una carga eléctrica que viajapor el espacio y por acción del campomagnético su trayectoria se curva. Esteúltimo fenómeno es el que suele usarse enforma controlada para enfocar un haz deelectrones en un microscopio electrónico,

donde las lentesmagnéticas actúancomo lo hace unalupa o una lentecon la luz. Comoresumen, podemosdecir que un campomagnético produceuna fuerza sobre unconductor por elcual circulacorriente o sobre unimán permanente.

¿Qué es la magnetización y qué esun ciclo de histéresis?En un material compuesto por átomosmagnéticos cada uno de ellos contiene o esresponsable de que existan pequeñosimanes o dipolos que suelen llamarse‘momentos magnéticos’ (el prefijo ‘di’ vienepor la existencia de ambos polos, el norte yel sur). La magnetización (M) es elresultado de sumar la contribución oproyección de todos los pequeñosmomentos magnéticos en la direccióndonde se aplica un campo magnético y quehay en un gramo o en un volumen fijo delmaterial. Esto permite comparar lamagnetización de los diferentes materialesentre sí. Para poder cuantificar lamagnetización de los materialesmagnéticos, existen diversos tipos deaparatos que se denominanmagnetómetros. Estos equipos permitenvariar el campo magnético e ir tomandosimultáneamente un valor de lamagnetización a través de un sensorespecializado. En un materialferromagnético los momentos seencuentran alineados aunque no hayacampo magnético. Esto se debe a unafuerza de origen microscópico denominadainteracción de intercambio.

Un ejemplo de un experimento demagnetización sobre un materialferromagnético puede observarse en lafigura II; esta es una especie de huelladigital del material magnético que seconoce como ciclo de histéresis o lazo dehistéresis, siguiendo una secuencia devalores de campos magnéticos positivos ynegativos (en una dirección y en otra).

Dominios magnéticos y paredes de dominioAntes de aplicar un campo magnético (1 enla figura II) se observa una magnetizaciónnula. Esto se debe a que el alineamientoparalelo de los momentos magnéticosqueda confinado a pequeñas regionesllamadas dominios magnéticos y estostienen una distribución alternada de laorientación. Esto ocurre para disminuir laenergía magnetostática. En otras palabras,el material trata de no originar líneas decampo magnético fuera de él. Al aumentarel campo, la magnetización aumentaporque los dominios se orientan en ladirección de este, hasta llegar a (2) dondese formó un monodominio magnético(todos los momentos apuntando en lamisma dirección) y se dice que el materialalcanzó su magnetización de saturación. Al

anular el campo magnético, M llega a suvalor de remanencia (Mr en 3). Al aumentarH en el sentido opuesto, se llega a un valorque se llama campo coercitivo (Hc) dondeM se hace nula (4). A partir de aquí secontinúa aumentando H hasta llegar almáximo valor negativo de M y al ir hastay luego se vuelve ir hasta el máximovalor positivo de campo de tal forma decerrar el ciclo magnético, llamándose alárea encerrada curva de histéresis (novuelve por el mismo camino). El tamañode los dominios magnéticos puede irdesde un micrómetro hasta unas décimas

de milímetro. Estos tamaños van adepender de la naturaleza del material yde la historia magnética a la que fuesometido. Las regiones que separan losdominios con diferentes orientaciones desus momentos magnéticos se denominanparedes de dominios y el largo (onúmero de momentos involucrados en larotación) depende de una competenciaentre la energía por anisotropía (ejedonde M prefiere estar sin importar laorientación del momento) y la energía deintercambio (interacción microscópicaentre los momentos magnéticos que tratade colocarlos a todos con la mismaorientación).

Figura I. (a) Esquema de la Tierra y de las líneas de campo magnético que

salen de un polo y entran en otro. El campo magnético producido por la

Tierra es de aproximadamente 1/3 de Oe. La flecha interna representa la

aguja imanada de una brújula. (b) Antigua brújula china con forma de

tortuga con una cola magnética. (c) Compás magnético del siglo XVII

ampliamente utilizado en la navegación.

(a) (b) (c)

M

H

Mr

Hc

3

1

2

P

4

dominiopared

dominio

Figura II. Ciclo de histéresis, respuesta de la

magnetización (M) de un material ferromagnético

con el campo magnético (H). El área encerrada

por la curva es el ‘producto de energía’ es muy

importante en la fabricación de imanes.

Figura III. Esquema de una pared de dominio

magnético. Las flechas indican los momentos

magnéticos.

Conceptos básicos

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uso en la tecnología de ácidos nucleicos. El proyec-to de decodificación del genoma humano ha permi-tido que la tecnología del secuenciamiento del ácidodesoxirribonucleico (ADN) haya sido perfeccionadanotablemente en los últimos años consiguiéndosecierta automatización en ella. Los métodos clásicosde separación de ADN/ARN (ácido ribonucleico) tie-nen la desventaja de que estos insumen un tiempoapreciable y requieren, en general, una cantidad sus-tancial de muestra dificultando la automatización delproceso. Con el uso de la tecnología de nanopartí-culas magnéticas recubiertas se pueden soslayarestas limitaciones haciendo que la preparación delas muestras se realice más rápidamente y con altaadaptabilidad a los procesos de automatización.Esta tecnología se basa en nanopartículas magnéti-cas encapsuladas en una matriz de poli-vinil-alcohol(PVA) al que se modifica en superficie de forma talque deja un arreglo de cargas negativas que se aco-plan perfectamente a varias secuencias de ácidosnucleicos componentes del ADN o ARN. Estas partí-culas interactúan con las muestras y luego son sepa-radas magnéticamente portando consigo la informa-ción de trozos de la secuencia genética que se pre-tende analizar. A partir de este punto el análisis de lainformación se realiza con los métodos tradiciona-les. La ventaja final de la utilización de las nanopar-tículas reside en el alto poder separador de estas y,por ende, la reducida cantidad de muestra utilizada.

Este mismo principio de separación de elementosse está utilizando en el área del tratamiento de resi-duos peligrosos (derrames de plantas químicas, meta-

les pesados, residuos nucleares, etc.). El concepto es elmismo; las partículas son recubiertas con un emulsio-nante químicamente afín con el residuo que se deseadepurar; los residuos reaccionan con el recubrimientoquedando unidos a las partículas. Una vez finalizada lareacción se remueven con un imán las nanopartículasmagnéticas junto al residuo peligroso y se los trasladahasta su destino final. Este método ha demostrado seraltamente eficiente, principalmente para la seguridadhumana y la conservación del medio ambiente.

El arte de mejorar los imanes

A partir de 1819, con los trabajos de Oersted, losimanes se empezaron a usar en forma masiva para apli-caciones en motores, generadores, dínamos, etc. Enesta primera etapa se utilizaron lo que llamamos ‘ace-ros magnéticos’. Estos materiales permitieron reducirel tamaño de los imanes porque, en menor volumen,tienen igual o mayor capacidad de generar un campomagnético en el exterior del material. Esta capacidad,que se cuantifica como el ‘producto de energía’, es elárea encerrada en un ciclo de histéresis (ver recuadro‘Conceptos básicos’). A medida que surgían nuevosmateriales o nuevos procesos para fabricarlos, el pro-ducto de energía se duplicaba cada 12 años.

En 1917 ocurrió un salto importante cuando se desa-rrollaron en Japón unas aleaciones que contenían alu-minio, níquel, cobalto e hierro. Estas aleaciones se cono-cen como alnicos, palabra formada por los símbolos delos elementos químicos que están presentes en la alea-

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culas magnéticas se desempeñan en este caso comosoporte de materiales de reactividad química selectivaque forman un recubrimiento estable en su superficie(ver figura ‘Recubrimiento’). Se obtiene así un materialaltamente reactivo de relativamente bajo volumen ycon gran superficie de reacción. Por otro lado, la utili-zación de nanopartículas magnéticas es fundamentalya que al tener momentos magnéticos muy grandespueden ser transportadas y conducidas por medio decampos magnéticos externos. En otras palabras, lananopartícula sirve como el medio de transporte per-fectamente controlado de un agente químico quepuede reaccionar fuertemente con el medio. En losúltimos años se ha utilizado este concepto para su apli-cación en campos tan diversos como medicina, estu-dios biológicos y tratamiento de residuos peligrosos,como podemos observar en los cuadros siguientes.

Específicamente, en el campo de la medicina se ha

iniciado una línea de investigación en el tratamientode afecciones tumorales por métodos basados enpartículas recubiertas. El principio de esta técnica con-siste en conducir la medicación que se encuentrarecubriendo las partículas magnéticas de forma quesolo actúe en la zona afectada por el tumor. Esto seconsigue localizando un campo magnético en laregión tumoral en el momento de la aplicación de lamedicación, manteniéndola en la zona afectada hastaque la misma haya completado su ciclo curativo. Conesta técnica se consigue la focalización del efecto deltratamiento de quimioterapia con las ventajas de unareducción de la dosis de la medicación que se le apli-ca al organismo y por otro lado se atenúan los efec-tos colaterales sobre el resto del organismo (ver ‘Apli-caciones en medicina’ en la figura de la página 45).

Otro ejemplo de la utilización de nanopartículasrecubiertas en el área de las ciencias de la vida es su

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La figura I muestra cómo es ladependencia de la magnetización desaturación que tienen las nanopartículascon su tamaño o diámetro medio. Elejemplo elegido corresponde a partículasnanométricas de un granate de itrio yhierro. A medida que se reduce el tamañode las partículas, el número de átomosmagnéticos que se encuentran en lasuperficie (con baja contribución a lamagnetización) es cada vez másimportante que el número de aquellos quese encuentran en el volumen interior(alineados entre sí por la interacción deintercambio). Esto se ve en el recuadrointerior donde M se comporta linealmentecon el cociente superficie a volumen de lasnanopartículas.

La figura II muestra el campo coercitivonormalizado en función del tamaño de lapartícula. En la figura pueden apreciarse losdiferentes mecanismos que hay para

alinear la magnetización delas partículas con un campomagnético externo. Dp es ellímite donde las partículascomienzan a bloquearse y apresentar un campocoercitivo. Por debajo de estevalor las partículasprácticamente no se orientanporque están en el estadosuperparamagnético. Por

encima del valor Dp, a medida que eltamaño aumenta, cada vez cuesta másalinear la magnetización de las partículas.El máximo valor de Hc se encuentra en Dc.Aquí comienza a aparecer una pared dedominios magnéticos y a todo D>Dc, laenergía necesaria para invertir lamagnetización, o el campo coercitivodisminuye con D debido al fácildesplazamiento de la pared con el campoaplicado, ayudando notablemente acambiar de dirección a la magnetización.

La figura III muestra la dependenciadel campo coercitivo con el diámetro decilindros magnéticos. Para las formasalargadas existe una fuerte anisotropía yse obtiene un campo coercitivo (Hforma)representado con rayas en el gráfico.También hay un esquema de cómo estánorientados los momentos a lo largo del ejedel cilindro. Al pasar el diámetro crítico(dc= 25nm para un caso particular), los

momentos rotan 90° y se colocanperpendiculares al eje mayor del cilindro.Si los momentos giran formando unacircunferencia, el campo coercitivo tieneuna dependencia con el diámetro delcilindro (ver línea llena Hcurling(d)) y seconoce como modo curling.

Recubrimiento: El recubrimiento en las partículas se realiza adicionando un surfactante, que posee una zona hidrófila y otra zona

hidrófoba, a una suspensión de nanopartículas. De esta forma, una de las zonas del surfactante se adhiere a la partícula quedando un

recubrimiento con la otra zona activa para interactuar con las otras nanopartículas recubiertas.

Aplicaciones en medicina: Tratamientos médicos basados en la quimioterapia tienen el inconveniente de que la medicación se

distribuye finalmente en todo el organismo por medio del sistema circulatorio bajando la eficiencia del método y, por otra parte,

afectando a las células sanas del individuo (a). La idea del direccionamiento magnético del tratamiento consiste en inyectar al paciente

un ferrofluido compuesto por una suspensión de nanopartículas magnéticas en la medicación. Durante y después de la aplicación, la

medicación es conducida y fijada en la zona afectada por un campo magnético (círculo claro) reduciendo el efecto sobre el resto del

organismo y aumentando la eficiencia del tratamiento (b).

La dependencia del tamaño sobre la magnetización y el campo coercitivo

26

24

22

0100 200 300 400 500

Mag

netiz

ació

n de

sat

urac

ión

(em

u/g)

Diámetro medio de las partículas (nm)

26

24

22

0 0,01 0,02 0,03 0,04Superficie (nm) / volúmen (nm)

M? (e

mu/

g)

0,7

1,0

0,6

0,4

0,2

00 100 200 300 400 500

Cam

po c

oerc

itivo

nor

mal

izad

o

Diámetro medio de las partículas (nm)

supe

rpar

amag

netis

mo

Dp

= 35

nm

mon

odom

inio

s

mul

tidom

inio

s

mag

nétic

osD = 190 nm

10101

102

103

104

100 1000diámetro del cilindro (nm)

Cam

po c

oerc

itivo

Hforma

H (d)curling

dc

parte hidrófila

parte hidrófoba

Nanopartículamagnética

Nanopartícularecubierta

Surfactante

(a) (b)

Figura I

Figura II

Figura III

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como cobalto (ver figura 1), hierro o níquel. La aplica-ción de un campo magnético a lo largo del hilo haceque los momentos magnéticos en el material seorienten en la dirección del campo aplicado. Si ahoraretiramos el campo magnético y los momentos que-dan en esa dirección –la forma ayuda a que esto suce-da– podremos decir que tenemos el material polari-zado magnéticamente en una dirección y, lo que esmás importante, con una cierta memoria de lo quehicimos. Esto puede ser importante para medios deregistro magnético perpendicular. Recordemos quelas citas de audio o vídeo o los discos rígidos de com-putadoras están compuestos por una película mag-nética y los campos para orientar la magnetizaciónson paralelos a la película. Con los nanohilos sepodría tener elementos magnéticos perpendicularesa la cinta con una orientación de la magnetizaciónhacia arriba o hacia abajo (0 ó 1, información binaria).Una de las ideas es disponerlos en un arreglo orde-nado y perpendicular. Esto permitiría llegar a unadensidad de información mayor a la actualmente dis-ponible en el mercado. Se están realizando muchosestudios para ver cómo son los mecanismos que per-miten el cambio de una dirección a otra de la magne-tización, cómo influye sobre un hilo el magnetismo desus vecinos, cómo afecta la magnetización la presen-cia de una pared de dominio magnético (ver recuadro‘Conceptos básicos’). Otros estudios apuntan a inver-tir la dirección de la magnetización mediante el pasode corriente eléctrica a través de un nanohilo.

Estos nanohilos pueden fabricarse de 1µm delargo y de unos 4 a 200nm de diámetro en arreglosordenados, dependiendo de las condiciones utiliza-das en la preparación del molde. Algunos de estosarreglos de nanohilos se están pensando para aplica-ciones en óptica y en microondas. Otra de las ideasexploradas fue hacer hilos con multicapas de cobaltoy cobre, o una aleación magnética y cobre para obte-ner hilos magnetorresistivos. Desde un punto de vistamás básico se trata de conocer cuál es el diámetro crí-tico para tener los momentos que se muevan cohe-rentemente (ver recuadro ‘La dependencia del tama-ño sobre la magnetización y el campo coercitivo’).

En los últimos dos años comenzaron a aparecernanotubos, nanohilos y nanocintas de óxidos. A dife-rencia de los metales ferromagnéticos, la mayoría delos óxidos son antiferromagnéticos (los momentos decada átomo se ubican alternadamente). Se puedenencontrar óxidos con diversas propiedades eléctricasy magnéticas, por ejemplo, semiconductores, piezoe-léctricos, metálicos y unos pocos ferromagnéticos.Esta diversidad de propiedades ofrece una riquezaimportante para explorar diferentes dispositivos. Porotro lado, algunos óxidos presentan una gran sensi-bilidad a la presencia de gases en su entorno, lo quemodifica en forma apreciable sus propiedades eléctri-

cas. Por ejemplo, se puede preparar una película for-mada por nanotubos o nanocintas, su importanteárea superficial es muy útil en el campo de la catálisis(aceleración de una reacción química) o en los proce-sos donde es importante detectar la presencia degases (sensores de gases). En particular, se puededetectar con un óxido simple el letal monóxido decarbono, el monóxido de nitrógeno, producto de emi-siones industriales, o de etanol que surge en alimen-tos en mal estado. Usando varios óxidos puedenfabricarse dispositivos más complejos y ser utilizadosen sistemas de control de polución ambiental enzonas muy industrializadas, en grandes ciudades, enminas, en fábricas o en hogares.

Una contribución reciente en la fabricación de óxi-dos con forma de nanotubos, en particular de unoscompuestos conocidos como manganitas (ver figura2, izquierda), fue su preparación y estudio en nuestropaís por Gabriela Leyva y Pablo Levy del Centro Ató-mico Constituyentes, junto con Horacio Troiani yRodolfo Sánchez del Centro Atómico Bariloche, ambasinstituciones pertenecientes a la Comisión Nacional deEnergía Atómica. La publicación de este primer traba-jo originó un comentario en la sección ‘Views andNews’ de la revista Nature por sus posibles aplicacio-nes tecnológicas. Estas van desde componentes enceldas de combustible por su alta superficie hasta denanocomponentes en dispositivos electrónicos.

Los nanotubos de manganita están hechos de unóxido de manganeso con praseodimio y calcio que esferromagnético (ver ciclo de histéresis de nanotubosen el recuadro ‘Conceptos básicos’). Otras técnicasmicroscópicas y mayores aumentos, revelaron quelas paredes de estos tubos están compuestos por gra-nos (o nanopartículas) de aproximadamente 40nm dediámetro. Este resultado es importante porque asítenemos un arreglo ordenado de nanopartículas enforma de tubos. La primera pregunta que surgió es¿cómo están ordenados los momentos magnéticosde estas partículas en un nanotubo?, ¿son losmomentos coherentes y apuntan todos en la mismadirección?, ¿están paralelos al eje del tubo o perpen-diculares?, ¿son incoherentes y buscan minimizar la

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ción. Los alnicos fueron los primeros materiales ferro-magnéticos en donde se trabajó directamente sobre lamicroestructura del material. El arte de hacer imanesreside en tener el material adecuado y en controlar lamicroestructura de este. En algunos casos, hay una ver-dadera ingeniería de diseño para alterar su estructuramicroscópica y así tener imanes más potentes.

En la década del 50 los esfuerzos se centraron enmateriales con hierro llamados ferritas, que, si bientienen magnetizaciones bajas, su bajo costo haceque casi el 55% de los imanes producidos en elmundo sean de este material.

Otra clase de imanes más recientes son las alea-ciones de elementos denominados tierras raras conhierro o cobalto; ocupan casi la otra mitad de la pro-ducción mundial. Para estos el producto de energía esdiez veces superior al de las ferritas. A final de los 70,las aleaciones de samario (una tierra rara) con cobalto(un metal de transición) mostraron tener un productode energía que casi duplicaba al de los mejores alnicosproducidos. En la actualidad las aplicaciones principa-les de estos sistemas son la miniaturización de auricu-lares pequeños, de motores de pasos o de equiposcientíficos con prestaciones particulares donde elcosto no es determinante para la producción en masa.

En la línea de mezclar una tierra rara con un metalde transición, se comenzaron a investigar aleacionesde la más abundante de esta familia, el neodimio, conun metal de transición. Hay veintisiete elementos de latabla periódica con los que pueden hacerse aleacionescon elementos magnéticos resultando en casi 2100aleaciones binarias y ternarias (con tres elementos)posibles. Aunque la aleación de neodimio e hierro, loselementos más abundantes, no existe en la naturalezay no puede sintetizarse, se exploró agregar otro ele-

mento para formar una aleación ternaria. Así seencontró que aquellas que incluían boro presentabanvalores altos del producto de energía. Estos nuevosmateriales se comenzaron a aplicar rápidamente enaparatos electrónicos, componentes de computadoras(en un lector de discos magneto-óptico por lo menosexisten cinco dispositivos que involucran este tipo deimanes), en motores para los molinos de viento, en laindustria del automóvil o en motores de elevadores.

Actualmente se están investigando nuevos proce-sos de síntesis de nanomateriales. La idea es que sepueda manipular la nanoestructura del material parallegar a duplicar el producto de energía. Uno de losintentos es mezclar, a nivel nanoscópico, un materialmagnéticamente duro (aleación entre neodimio, hie-rro y boro, con predominio del hierro), o sea quemantiene la orientación de su magnetización aunfrente a campos fuertes, con uno blando como el hie-rro en lo que se denomina fase alfa. Debido al aco-plamiento de intercambio entre ambas fases se con-sigue un aumento importante de la magnetización.

Hoy en día, además, la comunidad científica sesiente atraída por materiales que son aleacionesordenadas de hierro y platino conocidas como fasesL10. El campo coercitivo de estos materiales es real-mente importante y alcanza fácilmente los 10.000Oersted, unidad de medida equivalente a Gauss enel aire (30 mil veces más que el campo terrestre).

Formas geométricas a escalananométrica

La primera forma que mencionaremos es la denanohilos ferromagnéticos de un metal de transición

AARRTTÍÍCCUULLOO

Figura 1. Microfotografías SEM (microscopía de barrido electrónico).

Izquierda: Se pueden apreciar los nanohilos de cobalto de 1000 (izq.) y 100 (der.)

nanómetros de diámetro preparados en Bariloche.

Derecha: Se pueden observar los agujeros del molde usado en la fabricación.

En los últimos años ha comenzado lainvestigación en los denominados sistemasautoensamblados. Estos sistemas consistenen arreglos de nanopartículas dispuestas ensuperficies planas de manera ordenadaformando estructuras que pueden serbidimensionales (una monocapa departículas) o tridimensionales (muchas

capas de partículas apiladas). Estos arreglosse preparan a partir de suspensiones denanopartículas magnéticas recubiertas. Esterecubrimiento, generalmente de un ácidograso, surfactante o un emulsionante, quecontrola a las interacciones entre laspartículas (de origen electrostático, decohesión y magnéticas) evitando su

aglomeración al ser secada la suspensióndepositada sobre una superficie. Asimismo,según la naturaleza del recubrimiento sepuede controlar el tipo de estructura finalque se obtiene (estructuras bidimensionaleso tridimensionales; cuadradas,hexagonales, etc.). Estos sistemasautoensamblados, además del interés queexiste en la investigación básica de losmismos, pueden tener una aplicacióntecnológica muy importante en el área delregistro magnético de la informaciónpermitiendo el diseño de discos rígidosdonde cada unidad de información es cadapartícula magnética depositadaaumentando así considerablemente ladensidad del almacenamiento de los datos.

Sistemas autoensamblados

Fuente: SUN S & MURRAY CB, 1999, J. Appl. Phys. 85, 4329.

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distinguibles, alta-baja, que puedeasociarse a estados SI-NO. Esta propiedadhace de estos materiales sistemas de altointerés tecnológico. Se prevé la aplicaciónde conjuntos de junturas como memoriasMRAM, por ejemplo. El magnetismo delos electrones del metal que se utilizacomo electrodo, así como lascaracterísticas de las interfaces entre elmetal y el aislador definen principalmentela importancia del efecto.

Actualmente se trata de integrar en estasestructuras mixtas, semiconductores conmateriales magnéticos. Lossemiconductores son losmateriales que la electrónicautiliza en dispositivos quecontrolan desde equiposmédicos y nuestro televisorhasta la calculadora debolsillo. La inserción delespín en transistores y otrosdispositivos le agrega unavariable más al problema eincorpora nuevasposibilidades todavía noimplementadasprácticamente pero yapresentes en la mente decientíficos y tecnólogos. Lageneración de flujos decorrientes polarizadas enespín de forma controlada yla manipulación del espín

en forma más general, permitirían nosolamente incursionar en tecnología sinoconstruir herramientas para explorarpropiedades físicas fundamentales. Lasfuentes de corrientes polarizadas en espínpueden provenir de dispositivos detransporte eléctrico u ópticos. Haymateriales que intrínsecamente aportan altransporte electrones con una determinadapolarización en espín. En general, losmetales ferromagnéticos contribuyen altransporte con un número de electronescon espín ↓ distinto al número deelectrones con espín ↑. Estos últimos

materiales son los óptimos para utilizarcomo electrodos en junturas túnel y otrosdispositivos magnetorresistivos.

Una vez generadas las corrientespolarizadas en espín (CPS), se necesitainyectarlas en otros materiales ydetectarlas. ¿Cómo se logra esto? Lainyección de una CPS se logra, porejemplo, poniendo en contacto un metalferromagnético con un metal osemiconductor. En la interfaz se produceuna ‘acumulación de espín’, originada enel cambio de naturaleza de los materialesa un lado y al otro de la misma. Lapolarización en espín de la corriente se vaatenuando dentro del material no-magnético por sucesivos choques quehacen perder a los electrones la memoriasobre su espín. Si la polarización de lacorriente persiste hasta encontrar otracapa magnética, en la interfaz opuesta deun dispositivo, podrá transmitir estainformación y ser detectada a través demedidas eléctricas. La polarización de lacorriente en una región no-magnética esel parámetro típicamente utilizado paradescribir la eficiencia de la inyecciónelectrónica de espín. Se han propuestodispositivos ópticos y resistivos paramedir la existencia de esta polarización.Las válvulas de espín MRG y las junturas

MAd

Figura III. Multicapas.

A y B son películas delgadas de algunas capas atómicas que se alternan en una secuencia A/B repetida decenas

de veces para formar una multicapa.

En las multicapas metálicas se combinan capas A ferromagnéticas, formadas, por ej. por cobalto, hierro o níquel,

con capas B de metales tipo plata, oro, cobre.

En el mejor de los casos la rugosidad consiste en un desnivel de una capa atómica, como se ve en la capa de

hierro (figura a). Si no se ven lomas y valles de tamaños variables, en el caso de la muestra de la figura b de

decenas de nanómetros de altura y tamaños característicos de miles de nanómetros.

La frontera entre A y B se denomina interfaz y tiene cierta rugosidad; es decir el cambio de materiales no se da

de manera abrupta.

Figura II. A) La resistencia eléctrica

de un metal se origina en

los numerosos choques que

sufren los electrones que

participan en la corriente, al

circular por el material (con

impurezas, átomos

vibrando por efectos de

temperatura, etc.).

B) En un ferromagneto, los

choques también dependen

de la dirección del espín del

electrón respecto de la

magnetización neta del

material.

ABABABA

Sustratoa) Imagen STM. V. Etgens b) Imagen AFM c) Imagen TEM. D. Mosca

A)

B)

Laura SterenInstituto Balseiro y Centro Atómico Bariloche, Comisión

Nacional de Energía Atómica

Integrar el magnetismo en losdispositivos electrónicos conocidos esuno de los grandes desafíos que existenen el área de la nanociencia ynanotecnología. Hablamos de lamagnetoelectrónica, también llamadaespintrónica (término que hace alusiónal espín, una suerte de movimientointrínseco de rotación del electrón; ver‘Espín de los portadores de carga’ figuraI). Hoy en día se están haciendoesfuerzos importantes para estudiarestructuras híbridas que combinensemiconductores con materialesmagnéticos. El motivo central essencillo. El magnetismo hadesempeñado un papel fundamental enel almacenamiento de informacióndesde la construcción de las primerascomputadoras, y se anticipan aumentosdramáticos de la capacidad dealmacenamiento con estas técnicas.

La investigación de fenómenos detransporte eléctrico afectado por elmagnetismo de materiales se remonta alos años 70. En general, los metalescomunes tienen la misma cantidad deelectrones con espín ‘arriba’ ↑ que conespín ‘abajo’ ↓ y esta propiedad noafecta la corriente eléctrica (ver‘Resistencia eléctrica’, figura II) quepueda fluir por ellos. En cambio, en losmateriales ferromagnéticos que poseenuna magnetización neta, los electronesque fluyen a través de ellos tienen unaresistencia diferente a moverse si suespín apunta para arriba que la queencuentran si lo hacen para abajo. Elavance impresionante de técnicas depreparación de muestras llevado a caboen los 80, abrió las puertas al estudio deestos fenómenos en materialesnanoestructurados y al descubrimientode nuevos efectos. A fines de los años80, el grupo de Albert Fert, de laUniversidad Paris-Sud, Francia, encolaboración con investigadores de la

empresa Thales (entonces ThomsonLCR), descubrieron un efecto nuevo alque denominaron ‘magnetorresistenciagigante’ (MRG) en estructuras demulticapas ferromagneto-metal (ver‘Multicapas’, figura III). Se llamamagnetorresistencia a la variación deresistencia eléctrica, R, de un materialcuando está en presencia de un campomagnético, H. ¿Por qué ‘gigante’? Porquemientras hasta ese momento los efectosmagnetorresistivos medidos enmateriales no superaban el 6%, en lasnuevas estructuras artificiales sereportaban efectos de más del 100% (ver‘Magnetorresistencia gigante’, figura IV).

Desde entonces se ha trabajadointensamente para comprender este efectodiseñando y fabricando sistemas modelos.Se lo atribuye principalmente al hecho deque los choques de los electrones–portadores de carga– contra las interfacesferromagneto-metal y en el interior de lascapas ferromagnéticas dependen de ladirección relativa del espín de los electronesy el de la magnetización de las capas. Estosmecanismos que ya se habían observadoen materiales macizos mostraban ahora, enlas estructuras artificiales, una respuestacontrolada y aumentada. Es que el efectomás importante proviene de las interfaces(figura V). La mayor parte de lasexperiencias fueron realizadas con lacorriente eléctrica fluyendo en el plano delas capas de la estructura (CEP). Lamedición del efecto MRG con la corrienteaplicada en la dirección perpendicular alplano de las muestras (CPP) conlleva unacomplicación técnica suplementaria puestoque el efecto a observar sería muy pequeñorespecto a la resistencia de los contactosdel dispositivo. Para resolver este problemase han fabricado multicapas pilares desecciones micrométricas, de manera deaumentar notablemente la resistencia de laestructura (disminuyendo la secciónatravesada por la corriente eléctrica). Lasasí llamadas ‘válvulas de espín’ sondispositivos que funcionan a MRG, y que seemplean como cabezales lectores en losdiscos rígidos de las actualescomputadoras de escritorio y portátiles.

Más tarde se ideó la juntura túnel (JT),reemplazando el metal no magnético conun aislador (ver la figura V). Las JT estánconstituidas de dos capasferromagnéticas o electrodos, separadospor una barrera aisladora. En la JT loselectrones se encuentran con una barreramuy alta (el aislador) que dificulta su pasode un lado hacia el otro de la misma osea de un ferromagneto al otro. Soloalgunos electrones logran pasar a travésde la barrera, por efecto túnel cuántico,cuando la magnetización de los dosferromagnetos están alineadas; esteestado es de baja resistencia eléctrica. Encambio, cuando las magnetizaciones deambas capas están orientadas de maneraopuesta, la corriente es prácticamentenula definiendo un estado de altaresistencia eléctrica. Se dice que lacorriente eléctrica neta que atraviesa labarrera aisladora está polarizada en espín.Los resultados muestran la existencia dedos estados resistivos claramente

Electrónica del espín (espintrónica)

Figura I. Espín de los portadores de carga.

Además de su masa y carga eléctrica los

electrones tienen una cantidad intrínseca de

momento angular, denominado el espín. Es

como si fueran pelotitas cargadas que rotan

sobre su eje. Podrían hacerlo de este a oeste

y de oeste a este (a estas dos direcciones se

les asigna por convención ↑↑ y ↓↓respectivamente).

En presencia de un campo magnético H, los

electrones con espín ↑↑ tienen distinta energía

que los que tienen espín ↓↓, respecto de la

orientación de H.

En un circuito eléctrico ordinario, los espines

de los electrones están orientados al azar y no

poseen ningún efecto sobre la corriente. En los

dispositivos espintrónicos, en cambio, se crean

corrientes polarizadas en espín, donde ahora sí

el espín controla el transporte (filtrando

corriente, haciendo de llave si-no, etc).

Page 6: Magnetismo de Sistemas Nanoscopicos, Algunas Aplicaciones

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energía magnetostática? Nuestros primeros resulta-dos mostraron que, si bien las partículas eran mono-dominios (están por debajo del tamaño crítico),estas pueden interactuar entre sí y ordenarse coope-rativamente (ver esquema (a) en la figura 2, derecha)esto hace que las cadenas de partículas se puedanpensar como hilos (ver esquema (b) en la mismafigura). Si estos hilos forman cilindros, similares alos nanohilos magnéticos que vimos, sabemos quelos momentos estarán a lo largo de su eje, si el diá-metro del cilindro (d) está por debajo de un valor crí-tico. Si d fuese mayor, los momentos deberán estarperpendiculares al eje del hilo. Para este material loscálculos sugieren que ese diámetro crítico debe ser25nm. Los diámetros medios de los ladrillos que for-man el nanotubo, partículas de 40nm, ya son mayo-res que el diámetro crítico de un cilindro de estematerial. Por lo tanto se espera que, para este caso,los momentos estén alineados en forma perpendi-cular al eje del tubo. La pregunta que resta es siestán perfectamente alineados o si giran uno conrespecto a otro (curling).

Nuestras medidas de magnetización se realizansobre un número apreciable de nanotubos, aproxima-damente unos 20 millones, prácticamente en el límitede sensibilidad del magnetómetro, y lo que se mide esun efecto de un tubo promedio. Lo interesante, ycomo reto para el futuro, es poder medir la resistividadeléctrica y la magnetización de un solo componente ypoder corroborar los resultados aquí expuestos a par-

tir de técnicas microscópicas como la litografía porelectrones que puede ser utilizada para hacer contac-tos eléctricos sobre un solo nanotubo.

A lo largo del presente texto se vieron conceptosfundamentales de magnetismo, del comportamientode partículas magnéticas, aplicaciones de partículasrecubiertas, la fabricación de imanes y finalmentealgunos resultados de investigaciones contemporá-neas sobre materiales fabricados con formas geo-métricas en la escala del nanómetro y que tal vezsean la base de una nueva generación de compo-nentes para una nanoelectrónica en el futuro.

Figura 2. Izquierda: En la microfotografía SEM (microscopía de barrido electrónico) se pueden apreciar los tubos de óxido de manganita.

Tienen un diámetro de 800nm y sus paredes están formadas por nanopartículas. En el centro: Ciclo de histéresis de nanotubos de óxido

de manganita de 800nm de diámetro, medido a temperaturas de 80K, cercanas a la ebullición del nitrógeno líquido. Derecha: (a)Partículas monodominios interactuando entre ellas. (b) Debido a su efecto cooperativo y como resultado de la interacción, pueden

considerarse como una cadena, hilo o cilindro.

1

0

-10-1-2-3 1 2 3

Campo magnético (kOe)

Mag

netiz

ació

n no

rmal

izad

a

(a) (b)

Lecturas sugeridas

HUESO L, MATHUR N, 2004, ‘Dreams of a hollow future’, Nature, 427, 303.LEVY P, LEYVA G, TROIANI H, SÁNCHEZ RD, 2003, ‘Nanotubes of rare earth manganese

oxide’, Appl. Phys. Lett. 83, 5247.SÁNCHEZ RD, ‘Particle size effects on magnetic properties of ytrium iron garnets

prepared by sol-gel method’, 2002, J. of Mag. Mag. Mat. 247, 92-98.

Roberto D ZyslerDoctor en Física, Instituto Balseiro, UniversidadNacional de Cuyo.Profesor Adjunto de la Carrera de Física en elInstituto Balseiro e Investigador del [email protected]

Rodolfo D SánchezDoctor en Física, Instituto Balseiro, UniversidadNacional de Cuyo.Profesor Adjunto de la Carrera de Física en elInstituto Balseiro e Investigador del [email protected]

www.cab.cnea.gov.ar

5 0 C I E N C I A H O Y

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túnel, descriptas más arriba, son algunosejemplos de los dispositivos de transporte.

Para integrar semiconductores ymateriales magnéticos, a nivelexperimental, hay todavía problemasprácticos que deben ser resueltos:

¿Cómo hacer crecer estructurasferromagneto/semiconductor sin mezclarlos distintos materiales? En la mayoría delos casos, los semiconductores, desde elsilicio hasta el arseniuro de galio, formannumerosas aleaciones con los metalesmagnéticos utilizados habitualmente enlas nanoestructuras (hierro, cobalto oníquel). Es por ende difícil hacer crecermulticapas con interfaces definidas.Además, la gran diferencia deimpedancias (resistencia al paso de lacorriente) entre ambos componentes haceque el efecto de polarización de espín dela corriente sea bajo.

¿Y si se utilizan semiconductoresmagnéticos en lugar de losferromagnetos metálicos? Esto serviríapara mejorar la calidad de estasestructuras y disminuir el contraste entre

las impedancias de los dos materiales. Seestá realizando un importante esfuerzo enbuscar materiales que tengan estascaracterísticas y otra fundamental paralas aplicaciones: que trabajen atemperatura ambiente.

Quedan otros aspectos a resolver deaquí a los próximos años, entre otros:¿cómo lograr que la corriente eléctricarecuerde la información magnética a lolargo del dispositivo? Se deben diseñarnuevos dispositivos, eléctricos, ópticos yotros, para medir la polarización en espínde las corrientes eléctricas; también debemedirse la acumulación de espín en lasinterfaces ferromagneto/ semiconductor.

Como se ve, ha habido en los últimosaños un avance notable en el diseño yfabricación de nanoestructurasartificiales. Esto ha sido posible gracias aldesarrollo de técnicas de grabado de

motivos micrométricos ysubmicrométricos. El área conocida comoingeniería de materiales permite hoy endía elaborar dispositivos para explorarfenómenos específicos, implementar connanoestructuras aplicacionestecnológicas novedosas, comprobarefectos previstos por la mecánicacuántica hace más de ochenta años,plasmar imaginados efectos enexperiencias concretas y, finalmente, darla posibilidad de ¡crear nueva física!

0

I

ICEP CPP

-4

-8

-12-10 0 10

Figura IV. Magnetorresistencia gigante es la

inesperada variación de la resistencia eléctrica,

R, de un material cuando está en presencia de

un campo magnético, H. ¿Por qué ‘gigante’?

Porque mientras hasta ese momento los

efectos magnetorresistivos medidos en

materiales no superaban el 6%, en las nuevas

estructuras artificiales se reportaban efectos

de más del 100%.

10

7,5

5

2,5

0-600 -400

CoFe/A12O3/CoJunction

I

H

-200 0H (Oe)

200 400 600

I + .V +

I - .V -

Lecturas sugeridas

AWSCHALOM DD, FLATTÉ ME AND SAMARTH N, ‘Spintronics’, Scientific American,Jun. 2002.

BARTHÉLÉMY A, FERT A, MOREL R, STEREN L, ‘Giant steps with tiny magnets’,Physics World, Nov. 1994.

HAGELE D, OESTREICH M, ‘Magnetoelectronics enhance memory’, Physics World, Dic. 2003.‘Magnetoelectronics’, Physics Today, Abr. 1995, número especial.http://www.almaden.ibm.com/st/magnetism/ms/

CH

Figura V. Medida de magnetorresistencia en función de campo magnético realizada en una

juntura túnel, cuyo esquema se muestra a la derecha.

Laura SterenDoctora en Física, InstitutoBalseiro, UniversidadNacional de Cuyo.Profesora Adjunta, InstitutoBalseiro.Investigadora Independiente,[email protected]