Descubren un efecto magnetoelástico gigante en material cuántico: un paso colosal hacia nuevas tecnologías de almacenamiento y computación

Físicos observan por primera vez una deformación estructural inducida por magnetismo a escala subatómica en un óxido metálico complejo, confirmando así una teoría cuántica de hace cien años y abriendo paso a futuras aplicaciones en electrónica y superconductividad.

Por Enrique Coperías

Imagen conceptual de una investigadora analizando una visualización científica en pantalla que representa la alineación magnética entre capas atómicas en el material cuántico Sr₄Ru₃O₁₀. El estudio permitió detectar un efecto magnetoelástico gigante, en el que la orientación de los espines (flechas rojas y azules) provoca una contracción o expansión estructural a escala subatómica, confirmando una predicción teórica de la curva de Bethe–Slater formulada en los años 30. Imagen: University of St Andrews -Montaje: DALL-E

En el mundo invisible de los materiales cuánticos, donde los electrones se comportan como ondas, el magnetismo y la estructura atómica mantienen una relación más íntima de lo que se pensaba.

Ahora, un equipo internacional de científicos ha documentado, con resolución subatómica, un fenómeno que da fe de esa conexión: un acoplamiento magnetoelástico colosal, es decir, una deformación mecánica del material causada por un cambio en su estado magnético, en un compuesto de rutenio, el Sr₄Ru₃O₁₀.

Lo sorprendente del hallazgo no es solo la existencia de este fenómeno, sino su magnitud y el contexto en el que ocurre: un óxido de metal de transición donde, hasta ahora, no se esperaba observar deformaciones tan drásticas inducidas magnéticamente.

El hallazgo, publicado en la revista Nature Physics, no solo confirma una teoría fundamental de la física formulada hace casi cien años —la llamada curva de Bethe-Slater—, sino que también podría allanar el camino para futuras tecnologías cuánticas, sensores ultrasensibles y nuevos métodos de almacenamiento de información.

¿Qué es el acoplamiento magnetoelástico y por qué es importante?

En términos sencillos, el acoplamiento magnetoelástico describe cómo un material puede cambiar su forma —expandirse o contraerse— cuando cambia su estado magnético. Este efecto es bien conocido y, aunque generalmente es minúsculo, puede tener implicaciones prácticas importantes. Se utiliza, por ejemplo, en dispositivos sensores y actuadores, donde una pequeña deformación permite medir o provocar un cambio.

Sin embargo, el equipo de la Universidad de Saint Andrews, en el Reino Unido, en colaboración con el CNR-SPIN de Italia y la Universidad de Bonn, en Alemania, encontró que en el Sr₄Ru₃O₁₀ este efecto alcanza niveles asombrosos para un óxido metálico.

Usando microscopía de efecto túnel (STM) a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 ºC), los investigadores pudieron detectar cómo el material cambia su estructura atómica de forma notable cuando los momentos magnéticos de la capa superficial y la subsuperficial se alinean en la misma dirección (ferromagnetismo) o en direcciones opuestas (antiferromagnetismo).

Una observación pionera con instrumentos a medida

La contracción o expansión medida fue de aproximadamente 500 femtómetros, equivalente a 0,0000000005 metros. Aunque imperceptible a escala humana, este valor representa una magnetostricción, esto es, un cambio relativo de longitud, de 350 partes por millón (ppm), lo que se considera un efecto gigante en este contexto. Sobre todo si se considera que el fenómeno no está mediado por acoplamiento espín-órbita, una interacción relativista común en materiales con elementos pesados.

Detectar una deformación de 500 femtómetros no es moco de pavo. Para lograrlo, el equipo trabajó en un laboratorio con niveles de vibración ultrabajos, diseñando microscopios a medida capaces de registrar desplazamientos casi inconcebiblemente pequeños.

«El más mínimo sonido ambiental puede interferir con las mediciones», explican los autores. El ambiente ultrasilencioso del laboratorio de Saint Andrews fue esencial para que la experiencia tuviera éxito.

Los experimentos utilizaron las ya mencionada microscopía de efecto túnel, que permite explorar la estructura electrónica de una superficie con resolución atómica. La novedad fue aplicar esta técnica en condiciones extremas de temperatura y campo magnético, para poder visualizar cómo los estados electrónicos del material —y su geometría física— respondían a cambios en la orientación magnética de las capas atómicas.

Control independiente de la magnetización superficial

Uno de los hallazgos más sorprendentes del estudio fue la capacidad de controlar la magnetización de la capa superficial del cristal de forma independiente a la del resto del material. En otras palabras, los investigadores lograron crear un dominio magnético superficial autónomo, cuya orientación podía cambiar con respecto a la del interior.

Este desacoplamiento permitió estudiar el impacto del alineamiento magnético en la estructura y en los estados electrónicos con una claridad sin precedentes.

«Descubrimos que podíamos controlar la magnetización de la superficie de manera separada de la del material en sí —señala Carolina de Almeida Marques, autora principal del estudio de la Facultad de Física y Astronomía en Saint Andrews. Y añade—: Esto nos permitió medir directamente pequeños desplazamientos en los estados electrónicos, vinculados a si los momentos magnéticos de la superficie y la subsuperficie estaban alineados o no. Pudimos detectar cambios estructurales con resolución de subpicómetro. Un picómetro es cien veces menor que el radio de un átomo».

Confirmación experimental de la curva de Bethe-Slater en un material complejo

El estudio también ofrece una validación experimental directa de la curva de Bethe-Slater, una teoría formulada en los años 30 por el físico John C. Slater que describe cómo las interacciones entre espines de electrones dependen de la distancia entre átomos. Según esta teoría, si los átomos están muy próximos entre sí, tienden a alinearse antiferromagnéticamente; y si están más separados, prefieren una alineación ferromagnética.

Lo notable es que esta predicción, concebida originalmente para metales elementales, sigue siendo válida en un sistema complejo como el Sr₄Ru₃O₁₀. Al variar la alineación magnética entre la superficie y el interior, los investigadores observaron que la distancia entre capas atómicas cambiaba exactamente como predecía la teoría: se acortaba al alinearse paralelamente y se alargaba en la disposición antiparalela.

«El estudio no solo confirma predicciones teóricas hechas hace casi un siglo, sino que también abre nuevas rutas para entender la compleja interacción entre estructura, propiedades electrónicas y magnetismo en materiales cuánticos», comenta el profesor Peter Wahl, codirector del trabajo.

En palabras de este experto en física de la materia condensada, «esto destaca la importancia de las correlaciones electrónicas en la forma en que los átomos se organizan dentro de un material. Comprenderlas podría ser clave para estabilizar la superconductividad y diseñar materiales más eficientes para tecnologías limpias del futuro».

Más allá de la teoría: lo que la simulación no vio

A pesar de que los cálculos teóricos, llevados a cabo mediante métodos de DFT (teoría del funcional de la densidad),anticipaban una diferencia de distancia intercapas entre configuraciones magnéticas, la magnitud observada experimentalmente fue casi diez veces mayor. Esto señala una limitación importante en los modelos actuales, que tienden a subestimar el papel de las correlaciones electrónicas en materiales complejos.

La brecha entre teoría y experimento, en este caso, no es un problema, sino una oportunidad: indica que las herramientas teóricas deben evolucionar para capturar la riqueza del comportamiento de los materiales cuánticos.

En palabras de los autores, esto podría permitir diseñar materiales a medida donde se aproveche al máximo la interacción entre electrónica y estructura, algo fundamental para aplicaciones como la superconductividad no convencional y la computación cuántica.

Representación del tipo de interacción de intercambio según Bethe–Slater. Las figuras (a) y (b) ilustran la simetría de la función de onda de dos electrones en sitios vecinos: es antisimétrica espacialmente cuando los espines están paralelos (a) y simétrica cuando están antiparalelos (b). En (c), se muestra la curva de Bethe–Slater, que representa la diferencia de energía entre configuraciones antiferromagnética (EAFM) y ferromagnética (EFM) en función de la distancia (r) entre los electrones. La flecha negra indica la dirección de la fuerza de intercambio (F): hacia distancias menores si los espines están alineados, y hacia mayores si están en oposición. Cortesía: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02893-x

Aplicaciones potenciales: superconductividad, sensores, memoria cuántica

Además de su relevancia para la física fundamental, este hallazgo tiene implicaciones prácticas potenciales. «Nuestros descubrimientos podrían dar lugar a nuevos métodos para leer estados magnéticos utilizando solo señales electrónicas o estructurales», propone Marques.

Esta idea apunta hacia dispositivos de almacenamiento de información que no dependan de campos magnéticos externos o de corriente eléctrica, sino de cambios físicos detectables en la estructura atómica.

La posibilidad de leer —e incluso escribir— información magnética mediante cambios estructurales, abre un campo de posibilidades para sistemas de memoria más compactos, eficientes y estables. De hecho, el uso de singularidades electrónicas, como las llamadas singularidades de Van Hove observadas en este estudio, como sondas del estado magnético es un enfoque prometedor para sensores de nueva generación.

Marques y sus colegas están convencidos de que su descubrimiento tiene implicaciones profundas en campos estos:

✅ Diseño de memorias magnéticas no volátiles: lectura del estado magnético mediante deformación estructural, sin corriente eléctrica.

✅ Dispositivos electrónicos cuánticos: sensibilidad extrema a alineaciones magnéticas permite nuevos sensores y transistores.

✅ Optimización de materiales superconductores: al comprender mejor el acoplamiento entre electrónica y red cristalina, es posible estabilizar nuevos estados cuánticos.

✅ Electrónica basada en capas 2D: el comportamiento cuasi-bidimensional del Sr₄Ru₃O₁₀ lo convierte en un sistema modelo para estudiar efectos dimensionales en magnetismo.

¿Por qué este hallazgo supera los modelos teóricos actuales?

Sr₄Ru₃O₁₀ se perfila así como un material ideal para estudiar cómo se entrelazan magnetismo, estructura y electrónica en condiciones extremas. Su carácter cuasibidimensional, la capacidad de controlar por separado las capas superficiales y la sensibilidad del sistema a campos magnéticos lo convierten en un excelente laboratorio natural para investigar fases de la materia difíciles de observar en otros contextos.

En suma, este trabajo no solo refuerza nuestra comprensión de los principios físicos que rigen la materia en su escala más fundamental, sino que también sugiere caminos concretos para aplicar ese conocimiento en tecnologías del futuro.

Ya sea para mejorar la eficiencia de los superconductores, desarrollar nuevos sistemas de memoria o avanzar en la computación cuántica, la historia de cómo el magnetismo puede tirar literalmente de los átomos está lejos de haber terminado. ▪️

• Información facilitada por la Universidad de Saint Andrews

• Fuente: Marques, C. A., Rhodes, L. C., Osmolska, W. et al. Emergent exchange-driven giant magnetoelastic coupling in a correlated itinerant ferromagnet. Nature Physics (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-025-02893-x