Un cristal del tamaño de una uña descansa entre las placas de un condensador. Se enciende el campo magnético y el cristal se estira como una cinta a la que tiran por los extremos: su longitud aumenta un 60% y hasta un 120%. No es una errata. El hierro común cambia de longitud en el campo magnético en millonésimas, mientras que aquí hablamos de una magnitud visible a simple vista.
Hablamos de ortoferritas de tierras raras, compuestos de hierro, oxígeno y un elemento de tierras raras. Los científicos cultivaron monocristales de HoFeO₃ y DyFeO₃, los enfriaron hasta unos pocos kelvin y aplicaron un campo de 90 kiloersteds. A lo largo de uno de los ejes, el cristal empezó a crecer como el tallo de una planta en una grabación acelerada. A lo largo de los otros dos ejes apenas cambió. Esa anisotropía es la clave para entender el mecanismo.
¿Por qué ocurre? En los cristales hay dos subredes magnéticas: la del hierro y la de las tierras raras. Los iones de holmio y disprosio tienen un acoplamiento espín-órbita muy fuerte, es decir, una interacción entre el giro propio del electrón y su movimiento alrededor del núcleo. Es precisamente ese acoplamiento el que, como un resorte, une el momento magnético del ion con su posición en la red. Cuando el campo externo da la vuelta a los momentos magnéticos, los iones se desplazan y todo el cristal cambia de forma de golpe. Se trata de una transición de fase de primer orden, como un salto de un estado a otro, con histéresis: si se retira el campo, el cristal no recupera de inmediato su longitud original.
Para confirmar que el efecto se debe justamente al ion de tierras raras, los investigadores midieron un tercer cristal: GdFeO₃. El gadolinio tiene un acoplamiento espín-órbita débil. ¿Y qué encontraron? La magnetostricción resultó cien veces menor y no hubo ninguna transición estructural. Es una prueba directa: la deformación gigante la desencadena la anisotropía de las tierras raras, no el hierro.
Junto con el alargamiento cambia también la respuesta eléctrica: la permitividad dieléctrica a lo largo del eje c cae más de un 65%. El cristal que respira bajo el campo magnético además modifica sus propiedades eléctricas. Esa combinación abre el camino a actuadores controlados magnéticamente, sensores de deformación y estructuras adaptativas que funcionan a bajas temperaturas. Por ahora es una exótica criogénica, pero el principio ya está encontrado: las ortoferritas de tierras raras son una plataforma para deformaciones reversibles extremadamente grandes, gobernadas por el campo.
La magnetostricción la descubrió James Joule en 1842: una barra de hierro se alargaba en millonésimas partes dentro de un campo magnético. En este nuevo trabajo la deformación es un millón de veces mayor.
En la novela de Arthur C. Clarke «Cita con Rama», una nave extraterrestre cambia su geometría bajo la acción de campos externos. Las ortoferritas de tierras raras, con su alargamiento del 120%, recuerdan a ese material «inteligente», aunque solo funcionen a temperaturas criogénicas.