Hacia los discos duros del futuro gracias al pigmento rojo de los Ferrari Roadster

Dibujo20130705 magnetoresistnace wires for hard disks

La capacidad de almacenar datos de los discos duros ha crecido en un factor de 10.000 en los últimos 30 años gracias, entre otros avances, a la magnetorresistencia gigante (GMR), Premio Nobel Física 2007. Se publica en Science un nuevo avance, la GMR a temperatura ambiente en nanohilos moleculares de DXP (cada uno con un nanómetro de diámetro) incrustados en cristales de zeolita. El DXP es el pigmento utilizado por Ferrari para lograr el color rojo de la pintura de sus Roadster y no es una molécula magnética, pero se aprovecha el espín (momento magnético intrínseco) de sus electrones. Los electrones en la molécula no pueden moverse por ella (saltar de un átomo a otro, entre los átomos azules en la figura) cuando tienen el espín orientado en la misma dirección (lo prohíbe el principio de exclusión de Pauli) por lo que aparece una gran resistencia eléctrica. Sin embargo, al aplicar un campo magnético externo algunos espines cambian su dirección y los electrones pueden moverse por la molécula, bajando la resistencia. La conductividad cambia en un factor de 2000% (todo un récord comparado con el 600% de los materiales usados en los discos duros actuales) mostrando el fenómeno de GMR con una magnitud nunca vista antes (recuerda que la magnetorresistencia colosal es otra cosa). Más aún, este fenómeno se observa a temperatura ambiente. Por supuesto, todavía es muy pronto para ver discos duros basados en esta tecnología en el mercado. Como se almacenará la información en nanohilos es necesario usar la punta de un microscopio de fuerza atómica para leer y escribir, lo que complica mucho su incorporación a la tecnología actual de los discos duros. Pero tiempo al tiempo, la imaginación de los físicos y los ingenieros parece que no tiene límites. Este nuevo descubrimiento es como un Ferrari Roadster que nos lleva a toda velocidad hacia los discos duros del futuro. Nos lo cuenta Robert F. Service, “Hypersensitive Wires Feel the (Electromagnetic) Force,” ScienceNOW, 4 Jul 2013, siendo el artículo técnico R. N. Mahato et al., “Ultrahigh Magnetoresistance at Room Temperature in Molecular Wires,” Science Express, Jul 4, 2013 [DOI].

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Francis en ¡Eureka!: El grafeno magnético que puede revolucionar la espintrónica

Dibujo20131011 Magnetic moment and Kondo resonance for individual TCNQ molecules

Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue este enlace para disfrutarlo. Como siempre una transcripción libre.

El grafeno es el material de moda que recibió el Premio Nobel de Física en 2010. Sus numerosas propiedades hacen que sus aplicaciones parezcan casi infinitas. Pero empecemos por el principio, ¿qué es el grafeno? La mina de una lápiz está hecha de grafito, un material que se puede exfoliar fácilmente. El grafito está compuesto por láminas de átomos de carbono fuertemente enlazados entre sí, pero estas láminas están débilmente enlazadas unas con otras, de tal forma que al arrastrar la punta del lápiz sobre una hoja de papel se desprenden bloques de láminas de grafito que quedan adheridas al papel. El grafeno es una lámina de grafito de un solo átomo de grosor. El grafeno está formado por carbono puro, como el diamante, colocado en una estructura hexagonal similar a la del un panal de abejas. Konstantin Novoselov y André Geim, ambos de la Universidad de Manchester, recibieron el Premio Nobel de Física en el año 2010 por desarrollar un nuevo procedimiento para fabricar grafeno de forma industrial mediante una técnica de exfoliación del grafito. El grafeno es el material de moda en nanociencia y nanotecnología por sus sorprendentes propiedades físicas y químicas. Es el material con la mayor conductividad térmica y eléctrica conocido, es el más delgado, el más ligero, el más duro, el más flexible… Muchas de las propiedades del grafeno son dignas del libro de los récords Guinnes.

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Cómo conseguir que no pare de girar la peonza de la película “Origen” (“Inception”)

El tótem de Dom Cobb (personaje interpretado por Leonardo Di Caprio) en la película “Origen” (“Inception” en el original) es una peonza que gira y gira por siempre jamás (“forever spin” top). Un juguete capaz de emular este fenómeno fue patentado en 1974 por Roger Andrews (US patent 3783550); por cierto, la patente ya ha expirado. La peonza se hace girar a mano (no importa el sentido) encima de un pedestal de plástico cuya superficie es un poco cóncava y para sorpresa de todos se mantiene girando “eternamente.” Por supuesto, no se trata de un móvil perpetuo, ya que el pedestal contiene una batería de 9 V y un interruptor on/off; en “off” la peonza solo gira durante unos minutos, en el mejor caso, hasta detenerse; en “on” la peonza puede girar mientras la batería no se agote. Nos cuenta el secreto de este juguete Allan Mills, “The ‘forever spin’ top,” Physics Education 47: 399-402, 2012. Permíteme un resumen, por supuesto, omitiendo todo tipo de fórmulas, fáciles de obtener por cualquier profesor de física de primer curso que quiera ilustrar los detalles a sus alumnos.

Esta figura ilustra el juguete, tanto por fuera, como por dentro. En el interior se encuentra un electroimán y en la parte inferior de la peonza podemos observar un imán de ferrita en forma de disco.

Esta figura (izquierda) ilustra el imán en forma de disco que hay en la peonza. Dispersando limaduras de hierro en una hoja de papel se puede observar (derecha) el campo dipolar magnético que produce la peonza gracias a su imán (se han dibujado los polos norte y sur de dicho campo, determinados utilizando una brújula). El patrón dipolar observado difiere del de los imanes que se utilizan para pegar cosas en la puerta del frigorífico, que muestran rayas alternas magnetizadas en las direcciones norte y sur (garantizando un mejor agarre a la superficie del acero).

En el interior del pedestal se observa un solenoide de 28 mm de altura; una bobina de cientos de vueltas de hilo fino de cobre esmaltado (el hilo tiene un diámetro de 0,01 mm). En el interior de la bobina hay un núcleo de hierro dulce de 5 mm de diámetro por 28 mm de alto. También se observa un transistor bipolar C945 P817.

El circuito electrónico de este dispositivo es muy sencillo, como muestra esta figura extraída de la solicitud de patente de Andrews en 1974. No aparecen ni resistencias ni condensadores porque el juguete ha sido diseñado para que el número de vueltas del bobinado limite la corriente en el transistor. El diseño también ha sido optimizado para ajustarse al campo magnético producido por el imán de la peonza en rotación.

La rotación del imán en el interior de la peonza induce una corriente transitoria sinusoidal muy pequeña en la bobina que se introduce en el terminal de base del transistor, que actúa como interruptor permitiendo que la corriente de la pila (batería) atraviese el resto del bobinado, que a su vez produce otro campo magnético que actúa como control realimentado del campo magnético original de la peonza, resultando en fuerza magnética que acelera la rotación de la peonza. Un diseño adecuado permite que la peonza logre superar la fuerza de rozamiento y se mantenga rotando a cierta velocidad de equilibrio durante mucho, pero durante mucho tiempo.

Atención, la respuesta a la pregunta: ¿Atraerá un imán a una fresa?

La foto ilustra el experimento. Coloca dos fresas en los extremos de una pajilla, haces un agujero en ella (por una sola cara) y colocas la pajilla en equilibrio sobre un perno en posición invertida a través de ese agujero. Ajustas las fresas como contrapesos para lograr una posición de equilibrio. ¿Qué sucede cuando un imán fuerte (de neodimio) se acerca a una de las fresas como se muestra en la imagen? ¿Qué sucede cuando el imán se coloca en una posición fija por encima de una de las fresas? Piensa un poco y luego responde.

¿Qué pasa si utilizas otras frutas? Una uva, una bolita de melón, o una bolita de sandía.

Me ha llamado la atención tanto la pregunta (como la respuesta): David Featonby, “What Happens Next?: How does a magnet make strawberries revolve?,” Phys. Educ. 45: 679-680, 2010.

La respuesta en este blog… el 25 de diciembre, que es Navidad.

Como ya nos ha comentado uno de los lectores de este blog (Julio), el imán repele (no atrae) a la fresa “porque el agua es una sustancia diamagnética.” Más aún, él nos recomienda usar “uvas con un péndulo de torsión colgado del techo, porque tienen más agua.” Aún así, os coloco la respuesta que tenía preparada. Por cierto, he cambiado la fecha de la entrada, no sé cómo se enterarán del cambio los que reciben las entradas vía correo electrónico… ya me contaréis.

RESPUESTA: No, no la atraerá, pero la repelerá. La fresa es repelida por el imán y la pajilla con las dos fresas rota un poquito alejándose del imán. Para mantener el movimiento es necesario mover el imán para que siga el movimiento de la fresa y la pajilla sostenga su rotación. Cuando se coloca el imán sobre una de las fresas, la fuerza de repulsión es suficiente como para desequilibrar la pajilla y que las fresas caigan.

¿POR QUÉ?: Las frutas contienen un alto porcentaje de agua y el agua es diamagnética, por lo que el campo magnético del imán (si es potente) provoca una fuerza de repulsión. Colocando el imán en el otro lado de la fresa se logra que la pajilla se ponga a rotar en el sentido opuesto.

El diamagnetismo es la propiedad que presentan los materiales que son repelidos por los imanes. Corresponde a una forma de magnetismo muy débil que solo se observa en la presencia de un campo magnético externo intenso. Los cambios en el movimiento orbital de los electrones producen un momento magnético inducido en la dirección opuesta a la del campo. El material diamagnético es atraído hacia la región donde el campo magnético es más débil, es decir, es repelido por el imán. Materiales diamagnéticos incluyen el oro, grafito, bismuto y el agua. Por ejemplo, una rebanada delgada de grafito, que es un material diamagnético muy fuerte, puede estar flotando en un campo magnético de forma estable.

Si repites este experimento en clase con tus alumnos debes recordar utilizar un imán intenso. Una posibilidad es una electroimán, pero yo te recomendaría un imán de neodimio. El recurso más interesante para los profesores de física son las tiendas de todo a 1€. ¿Cómo conseguir un imán de este tipo en una tienda de todo a 1€? Por ejemplo, en las linternas que funcionan por inducción magnética, como la de la figura de abajo. Desmontar esta linterna y volverla a montar es muy fácil, por ello, extraer el imán de esta linterna te permitirá utilizar un imán de neodimio en tus experimentos en clase cada vez que lo necesites.

Ya que estamos con ello, quizás alguno se pregunte cómo funciona una linterna de inducción. Cuando agitas la linterna mueves el imán de forma que atraviesa de forma oscilatoria una bobina de hilo, lo que por la ley de la inducción de Faraday produce una corriente eléctrica alterna (oscilatoria) en sus extremos. Abajo tenéis una representación del voltaje típico, con picos de unos 4 voltios de pico positivo y algo menos de pico negativo.

Para iluminar el diodo LED de la linterna se requiere una corriente continua, por lo que hay introducir un puente rectificador y una capacitancia (grande, unos 0’3 F) para que se almacene la energía eléctrica (las linternas más caras tienen una batería de litio o similar en lugar de la capacitancia para garantizar una mayor duración de la carga). Todo el circuito está preparado para que el diodo LED reciba una tensión continua entre 2 y 3 V.

Más información sobre estos asuntos (con datos concretos para la linterna de la foto) en el artículo de Frank Thompson, “The shaking torch: another variation on the inductive force,” Phys. Educ. 45: 575-576, 2010.

El futuro de los discos duros para ordenadores portátiles

Cuando parecía que el disco duro tenía sus días contados, debido a la gran rebaja en los precios de las memorias de estado sólido tipo flash, de menor consumo y mayor velocidad, los físicos de estado sólido descubren una manera de controlar la dirección de magnetización en un sólido utilizando directamente un campo eléctrico (en los discos duros se require que la corriente eléctrica genere un campo magnético que controla dicha inversión). De esta forma se obtienen discos duros de menor consumo de potencia y más rápidos, los competidores ideales para las nuevas memorias de estado sólido.

El descubrimiento se publica hoy en Nature por D. Chiba et al. “Magnetization vector manipulation by electric fields,” Nature, 455: 515-518 ( 2008 ), comentado en el mismo número por Eiji Saitoh, “Solid-state physics: New order for magnetism,” Nature, 455: 474-475 ( 2008 ).

Un material imantable está formado por pequeños imanes a escala atómica (espines) que cuando se aplica un campo magnético externo se alinean en la dirección del campo (rotan sus espines). En los imanes esta rotación se puede hacer permanente. En los discos duros se utiliza este proceso para almacenar información binaria (1 y 0) a base de imantar en dos direcciones opuestas pequeñas regiones de su superficie magnética. Para ello, se aplica un campo eléctrico a un electroimán y éste es el que cambia la dirección del campo magnético del punto magnético del disco. Este proceso “indirecto” consume energía e introduce cierto retraso. La alternativa ideal sería que la corriente eléctrica directamente cambiara la dirección de los imanes sin electroimán intermedio. Eso es lo que han logrado el japonés Chiba y sus colaboradores.

El secreto es un fenómeno físico llamado anisotropía magnética: al  polarizar el espín de los electrones de la corriente eléctrica inyectada en el material, ésta es capaz de reorientar los espines del material (si su estructura electrónica es la adecuada, claro). Chiba et al. modulan la densidad de electrones usando un dispositivo MOS (metal-óxido-semiconductor) utilizando para éste último una película de (Ga,Mn)As que tiene propiedades ferromagnéticas a baja temperatura. Cuando se aplica un voltaje negativo en la puerta (gate, el metal) los portadores de carga positiva en el semiconductor (huecos) son atraídos hacia el electrodo. Por el contrario, al aplicar un voltaje positivo, el número de huecos cerca de la puerta decrece. Esta propiedad permite que la densidad de huecos y con ella la anisotropía magnética de la película de (Ga,Mn)As pueda ser controlada eléctricamente resultando en un cambio en la dirección de magnetización.

La tecnología utilizada por los investigadores japoneses es muy similar a la utilizada actualmente en la fabricación de discos duros, por lo que es de esperar que en pocos años tengamos en el mercado toda una nueva generación de discos duros de bajo de consumo.