Sensor cuántico con diamante para detectar altermagnetismo

Investigadores han diseñado un sensor cuántico basado en diamantes que podría facilitar la detección de altermagnetos, una clase recién descubierta de materiales magnéticos con propiedades poco comunes.

Durante casi un siglo, la ciencia reconoció únicamente dos tipos fundamentales de imanes. Sin embargo, la aparición de los altermagnetos representa uno de los hallazgos más recientes y prometedores en física, con potencial para acelerar y hacer más eficientes energéticamente los dispositivos electrónicos futuros.

Un equipo de la Universidad de Buffalo propuso una técnica cuántica para detectar estos materiales difíciles de identificar. Su método teórico emplea defectos microscópicos en diamantes para captar el comportamiento magnético característico que distingue a los altermagnetos.

El sensor cuántico basado en diamantes

La técnica consiste en colocar un material sospechoso de ser altermagnético junto a un diamante que contiene un defecto magnético extremadamente sensible. Al observar cómo la señal magnética del defecto se relaja con el tiempo, los científicos podrían identificar la firma magnética única que se espera de un altermagneto.

Jamir Marino, doctor y profesor asistente del Departamento de Física en la Universidad de Buffalo, explica que esta herramienta podría ser el primer paso para una nueva generación de experimentos que confirmen si un material es efectivamente un altermagneto. “Estos materiales podrían revolucionar el transporte de información, pero para validar esta teoría necesitamos experimentos que los identifiquen y verifiquen su comportamiento esperado”, indicó.

Marino colaboró con Libor Šmejkal y Jairo Sinova, de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, quienes originalmente propusieron el concepto de altermagnetos.

Según Sinova, esta técnica de detección podría convertirse en un instrumento clave para explorar materiales candidatos a altermagnetos, ya que ofrece ventajas sobre métodos experimentales convencionales al captar patrones magnéticos direccionales sutiles sin perturbar significativamente el material.

Características que distinguen a los altermagnetos

Los ferromagnetos tradicionales, comunes en imanes de nevera y dispositivos cotidianos, alinean los espines electrónicos en la misma dirección, generando un campo magnético controlable. Su capacidad para cambiar de estado los hace útiles en memorias de computadora.

En contraste, los antiferromagnetos disponen los espines electrónicos vecinos en direcciones opuestas, anulando su magnetismo global y dificultando su manipulación, aunque pueden cambiar de estado con mayor rapidez, lo que los hace atractivos para tecnologías electrónicas futuras.

Los altermagnetos combinan rasgos de ambos. A pesar de carecer de magnetización global como los antiferromagnetos, su estructura cristalina induce comportamientos electrónicos asociados típicamente a ferromagnetos. Esta combinación podría permitir procesar y transportar información más rápido y con menor consumo energético.

Marino destacó que esta disposición permite a los altermagnetos unir la rápida conmutación de los antiferromagnetos con algunas propiedades electrónicas más fáciles de controlar propias de los ferromagnetos.

El origen del descubrimiento del altermagnetismo

El concepto de altermagnetismo surgió en 2019 cuando investigadores en Mainz observaron un comportamiento inexplicable bajo las categorías conocidas de magnetismo. Sus cálculos indicaron que el dióxido de rutenio no debería presentar magnetización global, similar a un antiferromagneto, pero al aplicarle corriente eléctrica, mostraba propiedades propias de un ferromagneto.

Este hallazgo inesperado llevó a proponer una nueva categoría de materiales magnéticos. Desde entonces, estudios experimentales han detectado indicios de altermagnetismo en varios materiales, y predicciones teóricas sugieren que más de 200 materiales podrían pertenecer a esta clase, superando en número a los ferromagnetos conocidos.

Ventajas del uso de diamantes en la detección

Para acelerar la identificación de estos materiales, el equipo de Marino diseñó un sistema de detección cuántica basado en un defecto particular dentro de un diamante. Este defecto se forma cuando un átomo de carbono es reemplazado por uno de nitrógeno y falta un átomo de carbono vecino, creando una imperfección sensible a la actividad magnética cercana.

Los investigadores rotarían el espín magnético del defecto en varias direcciones y medirían la rapidez con que se relaja. Un cambio en la tasa de relajación según la dirección podría revelar los patrones magnéticos complejos que se predicen para los altermagnetos.

Una ventaja importante de este método es que perturbaría mucho menos el material que muchas técnicas experimentales actuales. Marino subrayó que evitar alterar demasiado el material durante la medición es crucial para distinguir el comportamiento natural del material del inducido por el experimento.

Estado actual y perspectivas futuras

Este sistema de detección existe actualmente solo como una propuesta teórica basada en simulaciones cuánticas avanzadas. Se requerirán experimentos de laboratorio para confirmar si puede identificar altermagnetos en materiales reales de forma confiable.

Aun así, los investigadores consideran que esta herramienta podría ser fundamental para trasladar el altermagnetismo de la teoría a aplicaciones tecnológicas prácticas. Marino afirmó que identificar eficientemente materiales altermagnéticos es un paso clave para usarlos en electrónica, ya que permitirían un transporte de información mucho más eficiente, facilitando dispositivos más pequeños y con menor consumo energético.

El estudio “Quantum Impurity Sensing of Altermagnetic Order” fue publicado el 8 de abril de 2026 en Physical Review Letters. Además de Marino, Šmejkal y Sinova, participaron Hossein Hosseinabadi, exmiembro del laboratorio de Marino y actualmente investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Alemania, y V. A. S. V. Bittencourt, de la Universidad de Estrasburgo/Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz.

La investigación contó con el apoyo de la Fundación Alemana para la Investigación.