Magnetizan al grafeno con átomos de hidrógeno

El átomo de hidrógeno presenta el momento magnético más pequeño, como si fuera un diminuto imán. Por su parte, el grafeno, considerado uno de los materiales del futuro, es una lámina de átomos de carbono con propiedades increibles, pero le falta una: el magnetismo. ¿Qué ocurriría si se unieran átomos de hidrógeno al grafeno?

Este es el reto al que se han enfrentado investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en colaboración con colegas del centro vasco CIC nanoGUNE, ambos en España, y el Instituto Néel de Grenoble (Francia), y sus resultados revelan que un átomo de hidrógeno puede transferir su momento magnético a una capa de grafeno cuando la toca, lo que logra magnetizar una zona de este material.

Los experimentos se han realizado mediante un microscopio de efecto túnel, que permite visualizar y manipular la materia a escala atómica. Los datos experimentales se han complementado con sofisticados cálculos teóricos, cuyos detalles se han publicado en la revista Science.

En contraposición a los materiales magnéticos más comunes, como el hierro, el níquel o el cobalto, donde el momento magnético que generan sus átomos se localizan en unas pocas décimas de nanómetro, el momento magnético inducido por cada átomo de hidrógeno en grafeno se extiende varios nanómetros. “Nuestros resultados muestran que esos momentos magnéticos inducidos interaccionan fuertemente entre ellos a grandes distancias (en comparación con la escala atómica)”, subraya Iván Brihuega, investigador del departamento de Física de la Materia Condensada de UAM que ha liderado el trabajo.

"También siguen una regla particular: los momentos magnéticos se suman o neutralizan dependiendo críticamente de la posición relativa entre los átomos absorbidos de hidrógeno –añade–. Además, e igualmente importante, hemos conseguido manipular de forma controlada los átomos individuales de hidrógeno, lo que nos ha permitido establecer a voluntad las propiedades magnéticas de regiones seleccionadas de grafeno”.

Imagen de un átomo de hidrógeno sobre una superficie de grafeno obtenida mediante microscopía de efecto túnel. Las líneas que se superponen en la imagen ilustran el campo magnético generado por ese átomo de hidrógeno en el grafeno. (Foto:UAM/CIC nanoGUNE)

Desde que fue posible la obtención de grafeno por primera vez en el año 2004, laboratorios de todo el mundo han intentado incorporar el magnetismo a la larga lista de propiedades de este material puramente bidimensional. Se trata de un material flexible y biocompatible, por lo que poder manufacturar grafeno magnético permitiría disponer, desde plásticos y tejidos magnéticos, hasta nanopartículas para tratar el cáncer.

Además, el grafeno es, a priori, un material ideal para su uso en espintrónica. Esta prometedora tecnología pretende sustituir a la tradicional electrónica, transmitiendo, al mismo tiempo, información magnética y electrónica, lo que podría dar lugar a una generación radicalmente nueva de computadores.

Según los autores, los resultados de este estudio muestran la posibilidad de generar momentos magnéticos a voluntad en grafeno y cómo estos pueden comunicarse a grandes distancias. Esto anticipa un brillante futuro para este material, tanto en el emergente campo de la espintrónica, como para su uso en dispositivos magnéticos flexibles y biocompatibles.

Aunque las muestras de grafeno se sintetizaron inicialmente en el Instituto Néel, los experimentos de este trabajo se han realizado en el Instituto de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la UAM, donde está el microscopio de efecto túnel utilizado –que trabaja a bajas temperaturas (4 K) en ambientes de ultraaltovacío– y se ha desarrollado el avanzado programa de cálculo SIESTA empleado por los científicos. (Fuente: UAM/Elhuyar)