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La 'chispa' que enciende los fuegos magnéticos se parece a la de los incendios

Un equipo de investigadores de EE UU y la Universidad de Barcelona han analizado cómo se propaga la energía en los sistemas magnéticos. El mecanismo, controlado por leyes cuánticas, presenta similitudes con lo que sucede en un incendico forestal, donde una 'chispa' activa el fuego inicial. Los detalles se publican en la revista Physical Review Letters.

La 'chispa' en los materiales magnéticos se propaga mediante espines a través de imanes moleculares. / A. D. Kent-UNY

La propagación del llamado 'fuego magnético' en determinados sistemas resulta ser "el único proceso de combustión controlado por leyes cuánticas que se conoce en la naturaleza", apunta Javier Tejada, catedrático de Física de la Materia Condensada de la Universidad de Barcelona (UB).

Tejada es uno de los autores de un estudio publicado recientemente en la revista Physical Review Letters (PRL), donde se desvela el modo en que la energía se mantiene y se extiende en materiales magnéticos mediante un proceso similar al de los incendios forestales.

Estos incendios se extienden a causa de una llama o chispa inicial que calienta una sustancia –un tronco o rama–, provoca que esta se queme y libera calor que propaga el fuego a otros troncos o ramas, convirtiendo así una pequeña chispa en un proceso autosostenido y, en este caso, devastador e irreversible.

En el caso de materiales magnéticos, los investigadores han llegado a la conclusión de que también se necesita una 'chispa' para iniciar este proceso, que comienza cuando en el material se invierte la orientación de los espines, equivalentes a los polos magnéticos de los átomos.

La diferencia en este caso es que al final el material se mantiene, pero con todos los espines invertidos respecto a su orientación inicial, lo que, a diferencia de los incendios forestales, permite reiniciar el proceso en dirección contraria, es decir, que el proceso es reversible.

El fuego magnético puede producir energía en un generador eléctrico

"Estos procesos se encuentran a menudo en la naturaleza; tal es el caso, por ejemplo, del crecimiento de células o de la difusión de la información", explica Ferran Macià, coautor del trabajo y actualmente investigador posdoctoral en la Universidad de la Ciudad de Nueva York (CUNY) como parte de la colaboración de esta universidad con la UB.

Con este trabajo, donde también han participado la Universidad de Nueva York (NYU) y de Florida, se han podido controlar parámetros de la reacción mediante el ajuste de campos magnéticos.

Por otra parte, este tipo de reacciones son relevantes en el diseño de los materiales magnéticos para aplicaciones de almacenamiento de energía, dado que el fuego magnético puede dar lugar a una liberación rápida y controlada de la energía almacenada, produciendo emisión significativa de energía. Por ejemplo, en un generador eléctrico.

La deflagración magnética cuántica

Los primeros experimentos en los que se puso de manifiesto la existencia del fuego magnético se remontan a ocho años atrás gracias al trabajo del grupo de Myriam P. Sarachick, catedrática de Física de la CUNY. A raíz de estos trabajos, el grupo de investigadores de la UB descubrió la llamada deflagración magnética cuántica.

En este estudio, destacado en la revista con un artículo de opinión o viewpoint, los científicos han determinado además que en los materiales magnéticos variables "la energía de activación responsable de iniciar la reacción puede ser controlada mediante campos magnéticos, permitiendo así estudios sistemáticos de los mecanismos físicos de flujo de energía", apunta Saül Vélez, doctorado por la UB y actualmente investigador posdoctoral en la Asociación Centro de Investigación Cooperativa en Nanociencias (CIC nanoGUNE) de San Sebastián.

Este comportamiento se diferencia, por ejemplo, del caso de las combustiones químicas, en las que difícilmente se pueden controlar parámetros como la energía de activación o la energía liberada.

"Ahora nos planteamos el inicio de un fuego magnético sin una chispa"

Para lograr este control, los investigadores han producido una 'chispa' mediante una configuración determinada de espines, equivalente al efecto químico de una cerilla. Para llevarlo a cabo, se emplean pequeños cristales individuales de un imán molecular que puede ser magnetizado de manera similar a una brújula.

Mediante un pulso de calor que actúa como chispa, se provoca el giro de las moléculas cercanas en la dirección del campo magnético, provocando así la liberación de energía y su propagación a las moléculas cercanas.

Por otra parte, "en estos nuevos experimentos hemos sido capaces de controlar la velocidad de este proceso mediante el ajuste del campo magnético para determinar en qué condiciones se libera energía y cómo se propaga", señala Macià.

"Estos resultados son emocionantes, y ahora nos planteamos estudiar y comprender mejor aquellas situaciones en las que el fuego magnético se inicia de forma espontánea, sin una chispa", apunta Andrew Kent, catedrático de Física de la NYU y director del laboratorio en el que se realizaron los experimentos.

El equipo de la UB ha determinado que la propagación del fuego magnético se produce en una gran variedad de materiales, y que además, en algunos casos va acompañada de cambios rapidísimos de la resistencia eléctrica o de la estructura cristalográfica. En el primer caso se observa que, a medida que se propaga el fuego magnético, el material va pasando de ser un aislante eléctrico a conductor.

En el segundo caso, y como explica Tejada, se comprueba que según se propaga el fuego magnético, este "va destruyendo la estructura de la 'casa', en este caso el ordenamiento de los átomos del sólido, y va edificando una «casa» con una nueva estructura, que equivaldría a un nuevo ordenamiento de los átomos".

Referencias bibliográficas:

P. Subedi, S. Vélez, F. Macià, S. Li, M. P. Sarachik, J. Tejada, S. Mukherjee, G. Christou y A. D. Kent: Onset of a Propagating Self-Sustained Spin Reversal Front in a Magnetic System. Physical Review Letters,mayo de 2013. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.207203.

Je-Geun Park y Carley Paulsen. Viewpoint: Fire in a Quantum Mechanical Forest. Physics, mayo de 2013. DOI: 10.1103/Physics.6.55.

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