La mayor parte de los dispositivos electrónicos, equipos de cómputo y de comunicación tienen, entre sus componentes, un número importante de imanes que realizan diversas funciones. La miniaturización de los equipos electrónicos y el desarrollo de enormes capacidades para almacenar datos se debe a sistemas magnéticos con dimensiones diminutas.

El estudio y la aplicación de nuevos materiales magnéticos, el control de los procesos que los involucran y la búsqueda de imanes cada vez más pequeños, mantienen ocupados a un gran número de científicos en todo el mundo, y se invierten millones de dólares para estos fines. Tomemos un vehículo moderno como ejemplo de su importancia: utiliza múltiples dispositivos electrónicos, como imanes para hacer funcionar el sistema de encendido, el motor, la dirección hidráulica, el aire acondicionado y una gran variedad de sensores (ver Figura 1).

Figura 1. Algunos dispositivos que usan imanes en un auto moderno.

El magnetismo se conoce desde hace más de 2000 años, pero fue hasta finales del siglo XIX que se empezaron a descubrir los fundamentos de las propiedades magnéticas de los materiales y de los átomos. En los materiales, las propiedades magnéticas son originadas, principalmente, por los electrones que conforman los átomos.

La miniaturización de equipos electrónicos se debe a sistemas magnéticos con dimensiones diminutas.

Una de esas propiedades es el espín. En términos simples es el imán más pequeño que existe en la naturaleza; una propiedad intrínseca de la materia (innata de los electrones), como la carga o la masa. Se representa como una flecha que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo, y se dice que es un vector.

Cuando forman parte de un elemento químico, hay reglas dictadas por la mecánica cuántica que indican cómo se acomodan los espines, y originan un vector resultante llamado momento magnético. Cuando se unen los átomos para formar moléculas o agregados atómicos de mayor dimensión, los momentos magnéticos atómicos se orientan aleatoriamente y no muestran propiedades magnéticas a temperatura ambiente.

Solo algunos elementos químicos de la tabla periódica poseen propiedades magnéticas a temperatura ambiente. Los más conocidos son el hierro, el níquel y el cobalto; se les llama ferromagnéticos y, cuando sus momentos magnéticos forman un cuerpo macroscópico (que puede ser observado a simple vista), se alinean paralelamente. Un pedazo de ferrita (óxido de hierro) está compuesto de miles de pequeñas regiones en las que los momentos magnéticos atómicos están orientados en la misma dirección; a estos pedazos de material se le llama dominios.

En términos simples, el espín es el imán más pequeño que existe en la naturaleza.

Para orientar los dominios en la misma dirección es necesario someter el material a un factor externo llamado campo magnético, producido por otros medios. A este proceso se le llama magnetización; una vez orientados, los dominios mantienen la orientación inducida al retirarse el campo aplicado. El resultado es un imán permanente o magneto.

En la Figura 2 se muestran los dominios magnéticos. En el primer caso, el campo magnético aplicado es cero, y en los dos siguientes se muestra lo que sucede si se aplica un campo magnético. Este es mayor en la tercera figura, donde  todos los dominios están orientados hacia arriba… ¡el material se ha magnetizado!

Figura 2. Dominios que forman un material magnético. Las flechas representan átomos alineados. Cada región con átomos alineados es un dominio.

La propiedad que caracteriza la potencia de un magneto es la densidad de energía, y esta se mide en kilojoules por metro cúbico (kJ/m³); ese valor indica qué tan fuerte atrae o repele otro imán. En 1880, los mejores materiales magnéticos eran aceros, con un valor de 2 kJ/m³. Buscando nuevos materiales se encontraron algunos basados en varios elementos químicos. Los imanes más potentes contienen neodimio, hierro y boro, tienen un parámetro de energía de 512 kJ/m³, y se utilizan en sistemas de grabación. ¡Y continúa la búsqueda de nuevos materiales con densidades de energía lo más grande posible!

También se ha tratado de disminuir el tamaño de los dominios magnéticos, crucial en el almacenamiento de datos con base en la grabación magnética. Entre más pequeños sean los dominios, la densidad de almacenamiento de información será mayor.

Para almacenar datos en sistemas de cómputo, los avances han sido más espectaculares.

Originalmente se depositaba el material magnético en cintas que se transportaban y se hacían pasar por cabezas de escritura y lectura, principalmente para almacenar señales de audio y video. En las últimas décadas tuvimos cartuchos de música de 8 pistas, cassettes y cintas para grabadoras de carrete. Para la videograbación se desarrollaron los formatos VHS y Beta. En cada nuevo desarrollo se podía almacenar una cantidad mayor de información y con mejor calidad.

Para almacenar datos en sistemas de cómputo, los avances han sido más espectaculares. En sus inicios, las computadoras ocupaban salas enteras y tenían una capacidad de almacenamiento que ahora se consigue con discos duros accesibles en el mercado. En 1956, la compañía IBM presentó el primer sistema basado en discos magnéticos, el 350 RAMAC; podía almacenar un total de 5 millones de caracteres, y su velocidad era de 8,800 bytes/s.

Existen materiales que almacenan 1,000 millones de veces más información que los de 1955.

En 1973, IBM desarrolló el disco 3340 (disco Winchester), con una capacidad de 35 megabytes, precursor de los discos duros actuales. La capacidad y velocidad de grabación y lectura en los discos duros sigue en aumento. Hoy existen discos de hasta 1 terabyte de capacidad y velocidades de hasta 200 megabytes/s.

Para uso personal o de oficina se diseñaron sistemas de almacenamiento magnético en forma de discos flexibles. En 1970, IBM presentó el primero, de 8 pulgadas, con capacidad de 80 kilobytes. Seis años después, Shugart Associates introdujo el primer disquete de 51/4 pulgadas, con una capacidad de 90 kilobytes (el SA400). Sony presentó, en 1981, el primer disquete con formato de 31/2 pulgadas, con una capacidad de 280 kilobytes. En este formato se ha conseguido almacenar hasta 240 megabytes de información (ver Figura 3).

Figura 3. Discos flexibles de diferente capacidad de almacenamiento magnético.

El incremento en la cantidad de almacenamiento ha sido posible gracias a la fabricación de sistemas con dominios magnéticos de menor dimensión. En 1955, la densidad de grabación era de 0.25 kilobytes/in², para el año 2000 esa cantidad subió a 0.25 gigabytes/in², y en la actualidad alcanza el valor de cientos de terabytes/in².

Se ha logrado sintetizar materiales que almacenan 1,000 millones de veces más información que los sistemas de 1955. Con esas dimensiones, un dominio está formado de solo cientos de átomos. Hoy, el tamaño de los dominios es de 10 nanómetros; estamos llegando al límite físico, que es un átomo.