Las Nanopartículas Pueden Tener una Levitación Magnética Estable

En 1842, el matemático británico Samuel Earnshaw demostró que no es posible lograr la levitación estática utilizando cualquier combinación de imanes fijos y cargas eléctricas.  En este caso, la levitación estática significa la suspensión estable de un objeto contra la gravedad. Sin embargo, existen algunas formas de levitar sorteando los supuestos del teorema. Una de ellas consiste en un objeto giratorio con imanes fijos. Se trata del "levitrón", un juguete inventado por Roy Harrison en 1983.  La peonza puede levitar delicadamente sobre una base con una cuidadosa disposición de imanes siempre que su velocidad de rotación y su altura se mantengan dentro de ciertos límites. Este fenómeno podría resultar muy interesante si se aplica a las nanopartículas.

De hecho, según los efectos Einstein-de Haas y Barnett, un cambio en la magnetización de un objeto va acompañado de un cambio en su movimiento de rotación. Específicamente, si el momento magnético de un imán se varía en un solo magnetón de Bohr, debe girar alrededor del eje del momento magnético para conservar el momento angular. Esta clara manifestación del origen del espín cuántico de magnetización, tal y como prescribe la relación giromagnética, se ve potenciada en la nanoescala y podría haber sido utilizada para hacer un "levitrón" a nanoescala.

Se puede demostrar que la fuerza que alinea los espines de los electrones no apareados en los materiales ferromagnéticos provoca la alineación ortogonal al campo magnético macroscópico generado, lo que puede causar un movimiento detectable a nivel macroscópico cuando este movimiento no está restringido mecánicamente , esto se llama "el efecto Einstein-de Haas".

Físicos austríacos han estudiado recientemente el papel del origen del espín cuántico de magnetización en la levitación magnética. Aunque el teorema de earnshaw impide cualquier levitación magnética de un ferromagneto no giratorio en un campo magnético estático, demostraron que la levitación puede lograrse haciendo girar mecánicamente el imán. A nivel de un solo átomo, también es posible el atrapamiento magnético con campos estáticos aprovechando la rápida precesión de Larmor de su espín cuántico. En este caso, el átomo es, desde el punto de vista de la mecánica, una partícula puntual sin grados de libertad de rotación. Una nanopartícula magnética se encuentra entre el levitrón y el átomo, ya que hay que tener en cuenta tanto sus grados de libertad rotacionales como el origen del espín cuántico de magnetización. ¿Puede una nanopartícula magnética sin rotación, a pesar del teorema de Earnshaw, ser levitada de forma estable con campos magnéticos estáticos?

En su último artículo, el equipo dirigido por O. Romero-Isart demostró teóricamente la viabilidad de que una nanopartícula de un solo dominio magnético no giratorio pueda ser levitada de forma estable en un campo magnético estático externo. La estabilización se basa en el origen del espín cuántico de magnetización que actúa como efecto giromagnético. Predijeron un punto estable y demostraron que, en ausencia de fluctuaciones térmicas, el estado cuántico del nanoimán en el punto de equilibrio contiene entrelazamiento y apretamiento.

En el mundo cuántico, diminutas nanopartículas no giratorias pueden levitar de forma estable en un campo magnético. Las propiedades de la mecánica cuántica que no son perceptibles en el mundo macroscópico, pero que influyen fuertemente en los nanoobjetos, son las responsables de este fenómeno.

Oriol Romero-Isart, Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austriaca de Ciencias

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