Els investigadors aconsegueixen generar lʼ«espurna» per produir foc magnètic i estudiar com seʼn dispersa lʼenergia

La propagació de lʼanomenat foc magnètic en determinats sistemes és «lʼúnic procés de combustió controlat per lleis quàntiques que es coneix en la natura», apunta Javier Tejada, catedràtic del Departament de Física de la Matèria Condensada i un dels autors dʼun treball publicat recentment a la revista Physical Review Letters (PRL), on es revela la manera en què lʼenergia es manté i sʼestén en materials magnètics, mitjançant un procés similar al dels incendis forestals.

 

El treball, desenvolupat per investigadors de la Universitat de Nova York (NYU), la Universitat de Barcelona, la Universitat de la Ciutat de Nova York (CUNY) i la Universitat de Florida, també ha permès controlar paràmetres de la reacció mitjançant lʼajust de camps magnètics. Aquest tipus de reaccions són rellevants en el disseny dels materials magnètics per a aplicacions dʼemmagatzematge dʼenergia, atès que el foc magnètic pot donar lloc a un alliberament ràpid i controlat de lʼenergia emmagatzemada, i produir una emissió significativa dʼenergia, per exemple, en un generador elèctric.

 

Els incendis forestals sʼestenen a causa dʼuna flama o espurna inicial que escalfa una substància —un tronc o una branca—, provoca que aquesta es cremi i que alliberi calor que propaga el foc a altres troncs o branques. Dʼaquesta manera, una petita espurna es converteix en un procés autosostingut i, en aquest cas, devastador i irreversible.

 

Amb els materials magnètics, els investigadors han arribat a la conclusió que també es necessita una «espurna» per iniciar aquest procés, que comença quan en el material sʼinverteix lʼorientació dels spins, equivalents als pols magnètics dels àtoms. La diferència en aquest cas és que al final el material es manté, però amb tots els spins invertits respecte a la seva orientació inicial. Contràriament al que passa amb els incendis forestals, aquest fet permet reiniciar el procés en direcció contrària, és a dir, que el procés és reversible. «Cal ressaltar que aquests processos es troben sovint en la natura; és el cas, per exemple, del creixement de cèl·lules o de la difusió de la informació», explica Ferran Macià, coautor del treball i actualment investigador postdoctoral a la CUNY com a part de la col·laboració dʼaquesta universitat amb la UB.  

 

 

Els primers experiments en què es va posar de manifest lʼexistència del foc magnètic es remunten a vuit anys enrere, gràcies al treball del grup de Myriam P. Sarachick, catedràtica de Física de la CUNY. A partir dʼaquests treballs, el grup dʼinvestigadors de la UB va descobrir lʼanomenada deflagració magnètica quàntica.

 

En aquest estudi, destacat a la revista PRL amb un article dʼopinió, els científics han determinat, a més, que «en els materials magnètics variables, lʼenergia dʼactivació responsable dʼiniciar la reacció pot ser controlada mitjançant camps magnètics, fet que permet estudiar de manera sistemàtica els mecanismes físics de flux dʼenergia», tal com apunta Saül Vélez, doctorat per la UB i actualment investigador postdoctoral al Centre de Recerca Cooperativa en Nanociències (CIC nanoGUNE) de Sant Sebastià. Aquest comportament es diferencia, per exemple, del cas de les combustions químiques, en què difícilment es poden controlar paràmetres com ara lʼenergia dʼactivació o lʼenergia alliberada.

 

Per aconseguir aquest control, els investigadors han produït una «espurna» mitjançant una configuració determinada dʼspins, equivalent a aquest efecte químic dʼun llumí. Per dur-ho a terme, sʼempren petits cristalls individuals dʼun imant molecular que pot ser magnetitzat de manera similar a una brúixola. Mitjançant un pols de calor que actua com a espurna, es provoca el gir de les molècules properes en la direcció del camp magnètic, i així sʼallibera lʼenergia i es propaga a les molècules properes. Dʼaltra banda, «en aquests nous experiments sʼha pogut controlar la velocitat dʼaquest procés mitjançant lʼajust del camp magnètic per determinar en quines condicions sʼallibera energia i com es propaga», assenyala Macià.

«Aquests resultats són emocionants, i ara ens plantegem estudiar i comprendre millor aquelles situacions en què el foc magnètic sʼinicia de manera espontània, sense cap espurna», apunta Andrew Kent, catedràtic de Física de la NYU i director del laboratori on es van fer els experiments.

 

Lʼequip de la UB, liderat per Javier Tejada, també ha determinat que la propagació del foc magnètic es produeix en una gran varietat de materials, i que a més, de vegades va acompanyada de canvis rapidíssims de la resistència elèctrica o de lʼestructura cristal·logràfica. En el primer cas sʼobserva que, a mesura que es propaga el foc magnètic, el material va passant de ser un aïllant elèctric a conductor; en el segon cas, i tal com explica Tejada, es comprova que a mesura que es propaga el foc magnètic, «es va destruint lʼestructura de la “casa”, en aquest cas lʼordenament dels àtoms del sòlid, i es va edificant una “casa” amb una nova estructura, que equivaldria a un nou ordenament dels àtoms».