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Investigación

Transiciones de fase: un fenómeno universal

Las transiciones de fase constituyen uno de los fenómenos más interesantes de la naturaleza. Un sistema sufre una transición de fase cuando una variable externa (presión, temperatura, conductividad...) alcanza un punto crítico y provoca importantes anomalías en sus propiedades internas (energía, magnetización, conductividad...). El ejemplo más común es el del agua. A temperatura ambiente es líquida, pero si reducimos la temperatura por debajo de 0ºC se congela y pasa a ser sólida.

Los materiales magnéticos experimentan una transición de fase cuando pasan de un estado desmagnetizado a otro magnetizado. Cuando la temperatura desciende de un determinado valor, los espines -pequeños imanes a escala atómica- que componen esos materiales se alinean creando un imán macroscópico.

El conocimiento preciso de estas transiciones es importante no solo desde un punto de vista teórico sino también en muchas áreas de la tecnología, como la magnetorresistencia en los discos duros, la superconductividad o los nuevos materiales.

¿Transiciones bruscas o graduales?

Físicos teóricos de la Universidad Complutense de Madrid, la Universidad de Extremadura y del Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos analizan mediante simulaciones informáticas cómo las impurezas (átomos no magnéticos) en materiales magnéticos modifican las propiedades de la transición de fase.

En algunos materiales, cuando tienen un alto grado de pureza, se observa una transición de primer orden. Este tipo de transiciones se caracterizan por un cambio brusco y la coexistencia durante la transición de los dos estados en los que se encuentra el material. Por ejemplo, el agua a 0ºC no cristaliza como un todo, sino que cristalizan grandes regiones (hielo) que coexisten con el agua hasta que se congela por completo.

Sin embargo, sobrepasado cierto nivel de impureza, estos materiales pasan a sufrir una transición de segundo orden, en la que el cambio de fase se hace suavemente de modo que en el punto de transición el sistema no presenta coexistencia entre ambas fases.

En la imagen: Arriba: Sistema con un 10% de dilución en el que no hay coexistencia de fases. En cambio, se aprecian regiones magnetizadas de todos los tamaños, es el equivalente a una granizada. Abajo: Modelos puros cerca de la transición en los que se muestra una burbuja y una banda magnetizada. La región negra es el equivalente a un iceberg flotando en el mar.

Espines en tu ordenador

Un imán macroscópico contiene del orden de un cuatrillón de constituyentes. Trabajar con tantos elementos es imposible para cualquier ordenador. La única manera de alcanzar resultados concluyentes es simular sistemas pequeños y estudiar cómo varían sus propiedades a medida que aumenta su tamaño. Cuanto más aumentamos el tamaño, más nos aproximamos al fenómeno real. Para ello hay que realizar un gran número de cálculos para los que resultan fundamentales los ordenadores de Ibercivis.

Gracias a ellos ya se están consiguiendo resultados científicos de gran interés. Por ejemplo, se ha establecido que una cantidad pequeñísima de impurezas basta para cambiar el orden de transición. Además, a medida que avance la investigación se obtendrán datos con una precisión completamente inalcanzable hasta el momento a nivel mundial.

En la imagen: Material en un estado magnetizado macroscópico.