Imprimir Republicar

Nuevos materiales

Un disco rígido, pero flexible

Cerámicas a base de manganeso pueden volverse conductoras de electricidad y mejorar el funcionamiento de las computadoras

Crece día a día la capacidad de almacenamiento de informaciones en los discos rígidos, que constituyen unos de los tipos de memoria de la computadora. Es el resultado del desarrollo de nuevos materiales, empleados en los dispositivos llamados cabezales de lectura, que traen de la memoria los textos e imágenes. Los cabezales de lectura de los discos rígidos se fundamentan en un principio físico que podrá sonar con poca simpatía para quien entiende muy poco de las entrañas de las computadoras: es la llamada magnetorresistencia -la variación de la resistencia eléctrica de un material sometido a un campo magnético.

Este proceso de recuperación de informaciones se usa también en sensores magnéticos que controlan frenos y embragues de los automóviles, en detectores de minas terrestres y en aparatos de marcapasos. Pero, para que puedan caber aún más informaciones en el mismo espacio, en base a ese mismo principio, un grupo de físicos de la Universidad de São Paulo ha llegado a resultados que alimentan la perspectiva de una familia de cerámicas conocidas como manganitas que reemplace a otros dispositivos fundamentales de la computadora, que disminuyen la resistencia al paso de la electricidad y así amplían la precisión y la velocidad de lectura de datos: son las multicapas magnéticas, adoptadas en las computadoras a partir del descubrimiento por un físico de la Universidad Federal de Río Grande do Sul (UFRGS), Mario Norberto Baibich.

Baibich identificó en 1988 el potencial de las multicapas magnéticas al utilizar 40 minúsculas placas apiladas de hierro, un material magnético, y de cromo, no magnético. Se dio cuenta así que el material escogido y la distribución en paralelo y alternada de las capas, sometidas a un campo magnético, reducían hasta en un 100% de la resistencia a las corrientes eléctricas -la reducción conseguida hasta entonces no llegaba al 5%. Ese efecto, considerado fantástico para la época, quedó conocido como magnetorresistencia gigante e hizo escuela. “La magnetorresistencia gigante permitió la construcción de sensores magnéticos de tamaños bastante reducidos, con mayor capacidad de lectura y sensibilidad”, afirma Baibich, cuyo artículo comunicando esos resultados, publicado en noviembre de 1988, aún es unos de los más citados de la Physical Review Letters. “Fue a partir de entonces que la industria de informática comenzó a producir los discos rígidos que actualmente encontramos en nuestras computadoras.”

Las manganitas pueden ir más allá de lo que Baibich descubrió. “Hay situaciones en que la variación de la resistencia eléctrica de las manganitas a la aplicación de un campo magnético es mucho mayor que las observadas en multicapas magnéticas, lo que permitiría acelerar el proceso de lectura y transmisión de informaciones en el mismo espacio físico”, comenta Renato de Figueiredo Jardim, profesor del Instituto de Física. “Tendríamos una lectura más rápida, con mayor sensibilidad y precisión”. Los estudios coordinados por Jardim, que avanzan paralelamente a los desarrollados por los equipos de las universidades de Tokio, en Japón, y de California, en Estados Unidos, revelaron nuevas propiedades de ese material que contribuyen a la explicación de como una cerámica normalmente aislante se transforma a punto tal de conducir electricidad tan bien como algunas aleaciones metálicas. Ya mostraron, por ejemplo, que es de forma continua y gradual, sin sufrir alteraciones bruscas, que las manganitas adquieren sus propiedades más notables, dejando de ser un material aislante para convertirse en conductor de electricidad y transformarse en un material no magnético para comenzar a comportarse como un imán. Conocer la naturaleza de estas transformaciones, que los físicos llaman  transiciones de fase, es esencial para utilizar ese material.

Formadas mayormente por manganeso, al cual se añade el oxígeno, un elemento químico de la familia de los lantánidos, en especial el lantano, y otro de los grupos de los alcalinos terrosos, como el calcio y el bario, las manganitas no son buenas conductoras de electricidad a temperatura ambiente. Para que se conviertan en conductoras, es necesario sustituir parcialmente el lantano por el calcio y someter el material a temperaturas bastante bajas, del orden de los menos 120 grados Celsius (-120ºC). “A esa temperatura”, observa Jardim, “las manganitas pierden sus propiedades de material aislante y se transforman en compuestos con características metálicas, buenos conductores eléctricos”. Sometidas a esa temperatura, éstas se convierten también en un material ferromagnético, dotado de propiedades magnéticas similares a las de un imán.

En un material que se comporta como un imán, los electrones se alinean, girando alrededor del propio eje siempre en la misma dirección y sentido -una propiedad magnética de las partículas atómicas conocida como spin. En esas condiciones, la aplicación de un campo magnético crea una enorme variación de la resistencia eléctrica, que constituye un tipo de magnetorresistencia -no gigante, como el descubrimiento de Baibich, sino aún mayor, llamada colosal, identificada en las manganitas en 1993 por físicos alemanes. “Con el alineamiento de spins, surge un camino preferencial, por el cual la corriente eléctrica puede transitar sin muchos obstáculos”, dice Fábio Coral Fonseca, físico del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen, sigla en portugués) que también forma parte de la investigación. Como resultado, dependiendo del campo magnético aplicado y de la temperatura, la resistencia al paso de la corriente eléctrica puede caer hasta 10.000%.

Jardim y su alumno de doctorado José Antonio Souza, con físicos de la Universidad de Montana, Estados Unidos, demostraron en un artículo publicado en mayo de 2005 en Physical Review Letters que esa transformación, llamada  transición de fase de segundo orden, ocurre de manera continua y gradual, sin que la cerámica pase por alteraciones bruscas. “La transición de fase continua era aceptada solamente para algunas familias de manganitas, pero la verificamos en muchas de ellas, independientemente de los elementos que la componen”, comenta Jardim. Como consecuencia de ello, algunas propiedades de esta cerámica, como la transición de fase de aislante para metal y de un material no magnético para magnético, deben revisarse.

En el marco de otro estudio, publicado en la Physical Review B, Jardim y Souza demostraron otro detalle importante: el efecto de magnetorresistencia puede ser muy amplificado cuando el lantano es reemplazado parcialmente por el itrio, incrementando el potencial de uso tecnológico de las manganitas. Esa sustitución de un elemento químico por otro resulta, en verdad, en un material nuevo, con propiedades diferentes. Sería un híbrido, constituido por pequeñas islas de material magnético, embebidas en una matriz de material aislante, y dotado de características metálicas.

Otro descubrimiento se refiere a los estímulos que pueden usarse para que las manganitas pasen por esas transformaciones -de aislante a conductor y de no metálico a metálico. En un artículo de enero de este año también publicado en Physical Review B, Jardim, Fonseca y Alessandro de Souza Carneiro, quien cursa doctorado, observaron que grandes variaciones en la resistencia eléctrica de las manganitas pueden obtenerse solamente en presencia de un campo magnético, pero también con la aplicación de corriente eléctrica a través del material.

Cuando las manganitas están en su estadio inicial aislante, la corriente eléctrica encuentra dificultades para recorrer el material, pero busca caminos alternativos, que ofrecen menos resistencia. Pero, en esas condiciones, puede también darse una transición del estadio de conductor al de aislante.

Caso las aplicaciones se realicen, las manganitas representarán un tercer estadio en la historia reciente de los sensores y lectores magnéticos. El primero fue el llamado sistema inductivo y el segundo, el sistema magnetorresistivo, basado en las multicapas magnéticas.

Las multicapas sustituirán al sistema anterior, o inductivo, constituido por una bobina hecha de un delgado hilo de cobre, que detecta el campo magnético grabado generando una corriente. La lectura de esa corriente es lo que permite a su vez la lectura de los campos magnéticos grabados. Como esa bobina es muy poco sensible, el campo magnético que la acciona debe ser muy intenso. “Para cumplir esa exigencia”, dice Baibich, “el conjunto sensor, compuesto de una bobina de grabación y una bobina de detección, también necesita ser muy grande y no puede alojarse en espacios tan apretados como el interior de un disco rígido”.

A pesar de las limitaciones, el sistema inductivo aún se usa en tarjetas magnéticas como las de banco y en cintas magnéticas para grabadoras. “Después de la revolución que las multicapas magnéticas promovieron en la informática”, comenta Jardim, “si conseguimos utilizar el potencial de las manganitas y el de la magnetorresistencia gigante podremos construir una nueva generación de dispositivos para las computadoras”.

El Proyecto
Estudio de fenómenos Intergranulares en óxidos cerámicos
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Reginaldo Muccillo – Ipen
Inversión
R$ 696.105,59

Republicar