Magnetismo a nivel de partículas
Un imán atrae al hierro sin que nada lo toque ni se mueva de forma visible — y sin embargo este fenómeno no comienza con cargas en rotación, sino con una propiedad que en la física clásica simplemente no existe: el espín.
Qué es realmente el espín
Electrones, protones, neutrones y quarks poseen todos un espín — un momento angular intrínseco y cuantizado. El nombre es engañoso: un electrón es (hasta donde se sabe) puntual y no "gira" en el sentido clásico, simplemente no hay extensión alguna que pueda rotar. El espín es más bien una propiedad tan fijamente asociada a una partícula como su masa o su carga — en el caso del electrón siempre exactamente ±½ (en unidades de ħ), sin importar cómo se mida.
Se descubrió en 1922 en el experimento de Stern-Gerlach: un haz de átomos de plata se hizo pasar por un campo magnético no homogéneo. Clásicamente se habría esperado una mancha continua, porque la orientación de los átomos debería ser aleatoria. En cambio, se observaron exactamente dos manchas separadas — la primera prueba directa de que el espín (y con él el comportamiento magnético de la materia) está cuantizado y solo puede adoptar dos orientaciones respecto a un campo.
Cómo el espín genera un campo magnético
Como el electrón está cargado eléctricamente, su espín — su momento angular intrínseco — genera automáticamente un momento dipolar magnético, sin que nada se mueva realmente. La intensidad de este momento depende del llamado factor g, que en el electrón no vale exactamente 2, sino 2,00232 — la diminuta desviación es una predicción de la electrodinámica cuántica y uno de los valores más precisamente confirmados de toda la física.
Además del espín, también el movimiento de los electrones alrededor del núcleo aporta un momento magnético (magnetismo orbital) — pero en la mayoría de los átomos la contribución del espín es la dominante. Que un átomo muestre un momento magnético neto hacia el exterior depende de cómo se sumen los momentos individuales de los electrones.
Experimento de Stern-Gerlach (esquemático): en el campo no homogéneo, los átomos con espín "hacia arriba" y "hacia abajo" sufren fuerzas opuestas y caen en dos puntos fijos y separados de la pantalla — no repartidos por una superficie, como produciría una magnitud continua y clásica.
Por qué algunas sustancias reaccionan magnéticamente y otras no
Que un átomo posea un momento magnético neto lo decide el principio de exclusión de Pauli: dos electrones en el mismo orbital deben tener espines opuestos, y sus momentos se cancelan exactamente. Los átomos con capas completamente llenas — todos los espines emparejados — no muestran ningún momento magnético hacia el exterior. Los átomos con electrones desapareados, en cambio, poseen un momento magnético real, aunque casi siempre débil.
Sobre esta simple distinción se construyen los tres tipos fundamentales de magnetismo:
Por qué precisamente el hierro es ferromagnético
Un átomo de hierro tiene cuatro electrones 3d desapareados — según la regla de Hund, los electrones ocupan primero individualmente el mayor número posible de orbitales antes de emparejarse. Eso por sí solo explicaría solo un paramagnetismo, que también muestran otros metales. Lo verdaderamente especial es la interacción de intercambio cuántico-mecánica entre átomos de hierro vecinos: precisamente a la distancia atómica y con la configuración electrónica 3d del hierro, esta favorece energéticamente la orientación paralela en lugar de la antiparalela entre espines vecinos. Por debajo de la temperatura de Curie (770 °C), los átomos vecinos se alinean por tanto espontáneamente — sin necesidad de ningún campo externo.
Aun así, un trozo de hierro desmagnetizado no suele mostrar magnetismo hacia el exterior, porque se divide en muchos pequeños dominios de Weiss: dentro de cada dominio, todos los momentos están perfectamente alineados en paralelo, pero la orientación cambia de un dominio a otro de forma aleatoria, de modo que las contribuciones se cancelan en promedio. Un campo externo hace crecer los dominios favorablemente orientados a costa de los demás (las paredes de dominio se desplazan) — el material se magnetiza, y parte de esa alineación puede conservarse como remanencia incluso tras retirar el campo: un imán permanente.
Sin campo externo, los dominios de Weiss orientados aleatoriamente se cancelan en promedio. Un campo aplicado hace crecer los dominios favorablemente orientados hasta que el material queda magnetizado a escala macroscópica.
Para qué sirve el magnetismo de partículas en la práctica
Del hospital al disco duro — el aprovechamiento específico del espín y del momento magnético de partículas individuales está presente en muchas tecnologías que, a primera vista, no parecen tener nada que ver con la física de partículas.
No todo magnetismo proviene del espín. Los electrones en movimiento alrededor del núcleo también generan magnetismo orbital, y una simple corriente en una bobina de alambre genera un campo magnético sin participación alguna del espín — únicamente por carga en movimiento (electroimán). El magnetismo de espín y el orbital explican por qué átomos y materiales individuales portan por sí mismos un momento magnético; el electromagnetismo clásico explica por qué una bobina recorrida por corriente puede lograrlo también sin espín de partícula alguno.