Μόνο τέσσερα στοιχεία του περιοδικού συστήματος - ο σίδηρος, το κοβάλτιο, το νικέλιο και το γαδολίνιο - εμφανίζουν σιδηρομαγνητική συμπεριφορά σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, μπορούν δηλαδή να μαγνητιστούν μόνιμα κάτω από την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου. Πριν από μια δεκαετία, Ιάπωνες επιστήμονες απομόνωσαν μια οργανική ουσία που δεν περιέχει κανένα μέταλλο και η οποία μπορούσε να μαγνητιστεί μόνιμα σε θερμοκρασία κλάσματος του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273,15 βαθμοί Κελσίου). Πριν μερικούς μήνες, όμως, μια Ρωσίδα φυσικός, η Τατιάνα Μακάροβα, που εργάζεται στο Πανεπιστήμιο της Ουμέα στη Σουηδία, διαπίστωσε τυχαία ότι ένα υλικό που παρασκεύασε, αποτελούμενο από καθαρό άνθρακα, παρουσιάζει ασθενή αλλά σαφή σιδηρομαγνητική συμπεριφορά και μάλιστα σε συνθήκες περιβάλλοντος.

Προς το παρόν, οι μη μεταλλικοί μαγνήτες είναι εργαστηριακά περίεργα και η περιέργεια αρχίζει με τη θεμελιώδη ερώτηση: Γιατί παρουσιάζουν μαγνητική συμπεριφορά; Κανένας δεν ξέρει ακόμα. Η ερώτηση αυτή αποκαλύπτει ένα απρόσμενο μυστικό. «Ελάχιστοι άνθρωποι καταλαβαίνουν, ή νομίζουν ότι καταλαβαίνουν, πώς λειτουργεί ένας μόνιμος μαγνήτης», λέει χαρακτηριστικά η Μακάροβα. «Ο μαγνήτης που συναντάμε στην καθημερινή μας ζωή δεν είναι ένα απλό πράγμα. Είναι ένα κβαντομηχανικό πράγμα».

Ολα τα μαγνητικά πεδία δημιουργούνται από κινούμενα ηλεκτρικά φορτία. Αυτό είναι γνωστό από το 19ο αιώνα ακόμα, πριν τη διατύπωση των κβαντομηχανικών νόμων. Το ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει μέσα από ένα πηνίο παράγει ένα μαγνητικό πεδίο ανάλογο με αυτό που παράγει γύρω της μια μαγνητισμένη ράβδος. Το μαγνητικό πεδίο της ράβδου, που φαίνεται σα να πηγάζει από το πουθενά, προέρχεται από τα ηλεκτρόνια μέσα στο μέταλλο που περιστρέφονται γύρω από τα άτομα, αλλά ταυτόχρονα και γύρω από τον εαυτό τους, μια ιδιότητα που ονομάζεται σπιν. Το μαγνητικό πεδίο παράγεται ακριβώς από το σπιν των ηλεκτρονίων.

Αλλά το φαινόμενο εμφανίζεται μόνο αν υπάρξουν δύο προϋποθέσεις, τουλάχιστον με βάση τη θεωρία που ανέπτυξε τη δεκαετία του 1930 ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ. Πρώτα, πρέπει και τα μεμονωμένα άτομα του υλικού και όχι μόνο τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια να έχουν δικά τους μαγνητικά πεδία. Δεύτερο, αυτά τα ασθενέστατα μαγνητικά πεδία των ατόμων πρέπει με κάποιο τρόπο να μπορούν να στοιχιστούν προς μια κατεύθυνση για να σχηματίσουν το μακροσκοπικό μαγνητικό πεδίο που τελικά ανιχνεύουμε. Το πώς εξασφαλίζονται αυτές οι δύο προϋποθέσεις στην πράξη, είναι το σημείο που τα πράγματα γίνονται πολύπλοκα.

Ουσιαστικά, εκείνο που υποστήριξε ο Χάιζενμπεργκ είναι ότι η μαγνητική κατάσταση αποτελεί τον τρόπο δόμησης ατόμων και στερεών από φορτισμένα σωματίδια που έλκουν και απωθούν το ένα το άλλο, ο οποίος εξασφαλίζει τη χαμηλότερη ενέργεια του συστήματος. Οσον αφορά την πρώτη απαίτηση του Χάιζενμπεργκ, ένα άτομο δεν έχει αναγκαστικά μαγνητικό πεδίο μόνο και μόνο επειδή έχουν τα ηλεκτρόνιά του. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να έχουν δύο τιμές σπιν με αντίθετα μαγνητικά πεδία. Καθώς συμπληρώνουν τις ηλεκτρονικές στοιβάδες ενός ατόμου, τα ηλεκτρόνια γίνονται ζεύγη, με κάθε ζεύγος να καταλαμβάνει ένα μέρος κάθε στοιβάδας, μια περιοχή που ονομάζεται τροχιακό. Μια θεμελιώδης αρχή της κβαντομηχανικής, η απαγορευτική αρχή του Πάουλι, απαιτεί τα ηλεκτρόνια του κάθε ζεύγους να έχουν αντίθετα σπιν (γιατί αλλιώς δε θα μπορούσαν να διακριθούν το ένα από το άλλο). Επειδή τα σπιν του κάθε ζεύγους είναι αντίθετα, τα μαγνητικά τους πεδία αλληλοεξουδετερώνονται. Ετσι, ένα άτομο μπορεί να έχει μαγνητικό πεδίο, μόνο αν έχει μη συζευγμένα ηλεκτρόνια σε μια από τις εξωτερικές στοιβάδες του.

Τα μη συζευγμένα ηλεκτρόνια προκύπτουν νομοτελειακά καθώς προχωρά κανείς προς τα κάτω στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, όπου τα άτομα γίνονται μεγαλύτερα. Τα ηλεκτρόνια επειδή έχουν ομώνυμο φορτίο απωθούνται και αν σχηματίζουν ζευγάρια στο ίδιο τροχιακό είναι γιατί ταυτόχρονα έλκονται από τον αντίθετα φορτισμένο πυρήνα. Ζευγαρώνουν μόνο σαν τελευταία επιλογή ώστε η ενέργεια του ατόμου να είναι η ελάχιστη δυνατή. Τα πρώτα ηλεκτρόνια που μπαίνουν σε μια άδεια στοιβάδα σκορπίζουν όσο πιο μακριά γίνεται το ένα από το άλλο και έτσι καταλαμβάνουν από ένα τροχιακό το καθένα. Ετσι μειώνεται η ηλεκτροστατική τους απώθηση αλλά και η ενέργεια του ατόμου, αφού κατ' αυτόν τον τρόπο μπορούν να βρεθούν λίγο πιο κοντά στον πυρήνα. Ολα τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας σ' αυτή τη σύνθεση του ατόμου έχουν το ίδιο σπιν.

Το άτομο του σιδήρου έχει ισχυρό μαγνητικό πεδίο γιατί έχει τέσσερα ασύζευκτα ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα. Ενας κρύσταλλος σιδήρου έχει μακροσκοπικά ισχυρό μαγνητικό πεδίο γιατί όλα τα άτομα σιδήρου στοιχίζονται (η δεύτερη προϋπόθεση του Χάιζενμπεργκ). Πώς γίνεται αυτή η στοίχιση; Αιτία και πάλι είναι η μείωση της δυναμικής ενέργειας από τα απωθούμενα μεταξύ τους ηλεκτρόνια, που εξασφαλίζεται με την απόκτηση της μεγαλύτερης δυνατής απόστασης μεταξύ τους. Μόνο που αυτή τη φορά μεταπηδούν από το άτομο στα διπλανά του, καταλαμβάνοντας διαθέσιμες «τρύπες» για ηλεκτρόνια αυτής της ενέργειας και σπιν. Ανταλλάσσοντας ηλεκτρόνια ίδιου σπιν, τα γειτονικά άτομα προσανατολίζουν αυτόματα τα μαγνητικά τους πεδία. Δεν υπάρχει τίποτα το μυστηριακό σ' αυτό.

Στην πράξη, ο υπολογισμός της επίδρασης αυτών των ανταλλαγών ηλεκτρονίων είναι πάρα πολύ δύσκολος, τόσο που μπορεί να γίνει μόνο με τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών και ακόμη και τότε οι φυσικοί δεν παίρνουν πλήρως ικανοποιητικές απαντήσεις για τις ιδιότητες ενός συγκεκριμένου υλικού. Γι' αυτό κάποιοι αναρωτιούνται μήπως η θεωρία του Χάιζενμπεργκ δεν καλύπτει πλήρως την πραγματικότητα του μαγνητισμού. Κατά τη γνώμη τους, τα ηλεκτρόνια που ευθύνονται για το μόνιμο μαγνητισμό ίσως δεν είναι καθόλου συνδεδεμένα με τα άτομα του μετάλλου. Ισως είναι τα λεγόμενα «ελεύθερα ηλεκτρόνια», που ευθύνονται για την ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων.

Βέβαιο είναι, πάντως, ότι ούτε η θεωρία του Χάιζενμπεργκ, ούτε κανενός άλλου, μπορεί να εξηγήσει προς το παρόν τους μαγνήτες από άνθρακα της Μακάροβα. Σύμφωνα με τον Χάιζενμπεργκ, ο άνθρακας δεν πρέπει να παρουσιάζει μαγνητικές ιδιότητες και είναι αλήθεια πως οι συνηθισμένες μορφές αυτού του στοιχείου (αιθάλη, γραφίτης, διαμάντι) συμμορφώνονται προς την πρόβλεψη. Αλλά η Μακάροβα χρησιμοποιεί μπάκιμπολς, μια συνθετική μορφή άνθρακα όπου 60 άτομα του στοιχείου σχηματίζουν κούφιες σφαίρες. Συμπιέζοντας τα μπάκιμπολς με πιέσεις 80 τόνων ανά τετραγωνικό εκατοστό σε θερμοκρασία 700 βαθμών Κελσίου τα μετατρέπει σε μια μορφή παρόμοια με του γραφίτη, με τη διαφορά ότι τις κορυφές του κρυσταλλικού πλέγματος καταλαμβάνουν 60άδες ατόμων και όχι μεμονωμένα άτομα άνθρακα, όπως στο γραφίτη.