altermagnetismo

Una orquesta congelada en la que los músicos cambian de asiento cuando el director, el magnetismo, marca una nueva partitura. En el cristal de espinela, los átomos de hierro y magnesio se sientan en dos tipos de butacas: unos rodeados por cuatro vecinos, otros por seis.

En algunos cristales los electrones no están repartidos uniformemente, sino que se alinean formando un estricto tablero de ajedrez: en una casilla hay más electrones y en la vecina, menos. Ese patrón se denomina orden de carga y durante mucho tiempo se consideró algo estático, como el dibujo del hielo en un cristal.

Por un camino estrecho avanzan dos caravanas en direcciones opuestas. Una es ancha y lenta, lleva la carga de la densidad. La otra, una hilera de carretas ligeras con corriente, se desliza entre las primeras. Así, en la descarga del magnetrón coexisten dos estructuras que giran en sentidos contrarios: la aguja de densidad y los filamentos de corriente.

En una capa fina de cristal líquido, las moléculas suelen estar como cerillas en una caja: alineadas en una dirección, pero desordenadas: unas miran hacia arriba, otras hacia abajo. Para conseguir que todas las cerillas miren en la misma dirección, se necesita una disposición especial de las moléculas. Los científicos han encontrado un truco químico que lo logra casi automáticamente.

En una fina película de cobalto y hierro depositada sobre un sustrato de silicio, se enrolla un diminuto vórtice magnético. No se dispersa, sino que se mantiene en su lugar, como una gota de aceite en una sartén caliente.

El campo magnético de la Tierra no es constante: tiembla por el viento solar, por tormentas lejanas, por el funcionamiento del metro. Para notar esas vibraciones se necesita un instrumento que no vibre por sí mismo. Los físicos han construido uno con átomos de iterbio enfriados casi hasta el cero absoluto.

Una autopista donde los flujos opuestos no solo están separados por lados distintos, sino por dos carreteras independientes, cada una con su propia entrada y salida. Algo parecido ocurre con los electrones en un nuevo tipo de aislante topológico descrito por los autores del trabajo.

El cristal Mn₂Mo₃O₈ se parece a una diminuta ciudad donde los átomos de manganeso están alineados en un orden estricto: sus momentos magnéticos (pequeñas flechas internas) apuntan hacia arriba y hacia abajo de manera alternada. Este estado se denomina altermagnetismo colineal.

Los patrones muaré son familiares para todos. Dos peines con distinto paso, superpuestos, muestran franjas oscuras. Algo similar surgió en el tiempo. Los físicos tomaron una nube de átomos de Rydberg —partículas con órbitas electrónicas excepcionalmente grandes— y la iluminaron con dos láseres.

En 2022, los físicos describieron un nuevo tipo de magnetismo: el altermagnetismo. En él, los electrones con diferente dirección de giro (espín) se separan en energía según la dirección de su movimiento, como corredores que en una pista aceleran y en otra frenan. Pero el espín no es el único grado de libertad de las partículas.

Un suelo de parqué donde cada segunda tabla está girada en dirección opuesta parece simétrico. Pero si pasas la mano, en una dirección los dedos se deslizan a favor de la veta y en la otra se enganchan. Más o menos así funciona el nuevo tipo de magnetismo que se ha estudiado en el cristal AgCrP2S6.

La cuerda de una guitarra sigue vibrando incluso después de que el músico la suelta, y esa vibración modifica el sonido que escucha el oyente.

Los cúbits superconductores son el corazón palpitante de las computadoras cuánticas, pero su ritmo se ve perturbado por la decoherencia: la cuanticidad se disuelve en el ruido.

En la gran sinfonía del magnetismo reinó por mucho tiempo un dúo: el estridente ferromagnetismo y el silencioso antiferromagnetismo, donde los espines solistas se anulan entre sí. Pero recientemente se unió al conjunto una tercera voz: el altermagnetismo.

En el mundo del magnetismo imperó durante mucho tiempo una simple dicotomía: los ferromagnetos, donde todos los espines apuntan en la misma dirección, y los antiferromagnetos, donde se ordenan en un patrón de damero, compensándose mutuamente.

Dentro del cristal se despliega un ballet invisible: los momentos magnéticos de los átomos, como bailarines, a veces se alinean al unísono y otras se dispersan en contrafase. La coreografía la dicta el intercambio cuántico: una música sensible a la geometría de los enlaces.

Una película magnética delgada se asemeja a una fila de soldaditos con pequeñas agujas magnéticas. En el mundo plano, los golpes térmicos desordenan rápidamente esa fila: el más mínimo calentamiento destruye el orden. Así funciona el teorema de Mermin-Wagner: en dos dimensiones, una simetría continua no sobrevive a temperatura finita.

En algunos cristales, los momentos magnéticos de los átomos oscilan coherentemente, como una ola en un estadio. Transporta espín sin corriente de cargas, sin calentar el material. Este flujo recuerda a un río invisible, silencioso y frío.

Las gigantes rojas son estrellas envejecidas e hinchadas. En su interior bulle un océano de plasma: el calor se abre paso desde el núcleo hacia la superficie, generando ondas parecidas a un potente oleaje. El campo magnético dentro de la estrella actúa como un relieve submarino invisible: dirige esas ondas, modifica su altura y velocidad.

Se hace pasar corriente a través de un resorte de moléculas orgánicas y, a la salida, casi todos los electrones giran en la misma dirección. Este truco se conoce como selectividad quiral de espín y durante mucho tiempo ha desconcertado a los físicos.

Dos equipos tiran de una cuerda con la misma fuerza en direcciones opuestas: la cuerda no se mueve, la fuerza total es cero. Así se comportan muchos antiferromagnetos: los momentos magnéticos de los átomos están alineados en direcciones opuestas y se cancelan mutuamente.

En el interior de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los núcleos atómicos se fusionan en largos filamentos y láminas planas. Los astrofísicos llaman a estas estructuras fideos nucleares. En su superficie, la densidad de la materia cae casi a cero, como si emergieras de un denso gel al aire enrarecido.

Un traductor trabaja en dos mundos a la vez: para el observador externo es silencioso e imperceptible, pero dentro de su conciencia bulle una intensa actividad con líneas de significado bien definidas. Así son aproximadamente los altermagnetos, una clase de materiales magnéticos descubierta recientemente.

Cada electrón es un imán en miniatura. En una capa de cloruro de hierro de un átomo de espesor, todos se orientan en la misma dirección, como bailarines en una coreografía perfectamente sincronizada. Normalmente, la naturaleza evita ese orden (eso es alta entropía), pero las fuerzas cuánticas los obligan a obedecer.

La pista de baile está llena de parejas que giran en un vals. Normalmente, los compañeros se mueven en direcciones opuestas: uno da un paso hacia adelante, el otro hacia atrás, para mantener el ritmo común.

Una olla con agua en la cocina: cuanto más caliente está el fuego, más rápido el hielo se convierte en agua y el agua en vapor. El calor destruye el orden. Pero a veces la naturaleza hace un truco: el calor hace que un líquido se congele, como un charco en una helada.

El cristal La3Ni2O7 se asemeja a un pastel en capas, donde el relleno de átomos de níquel y oxígeno se alterna con capas de lantano.

En un trozo de imán ordinario, todos los espines electrónicos —las diminutas agujas magnéticas— apuntan en la misma dirección. Es una fila de soldados mirando al frente. Ese orden se llama altermagneto colineal.

Una fila de personas que se dan la mano pero miran en direcciones opuestas: unas hacia el norte, otras hacia el sur. Así es un imán de onda p. En él, los electrones alinean sus momentos magnéticos (espines) no al azar, sino siguiendo un estricto patrón ondulatorio.

En un cristal ordinario, los átomos están alineados en filas perfectas, como soldados en formación. Cualquier desviación de ese orden se considera perjudicial: el desorden dispersa las ondas y apaga rápidamente los movimientos colectivos de las partículas.

Un cristal es como una ciudad: si las calles son torcidas, el tráfico se atasca. En un cristal, el papel de las calles lo juegan las filas de átomos, y el tráfico es el flujo de electrones. Cualquier pequeña irregularidad, impureza o desplazamiento de un átomo hace que los electrones se dispersen.

Dentro de un superconductor, el campo magnético suele enrollarse en tubos: vórtices, cada uno de los cuales transporta un cuanto de flujo magnético. Así está construida la red clásica de Abrikósov. Pero en los cristales de LiFeAs el panorama es diferente.

En un imán diminuto, la información no está escrita en hacia dónde apunta la flecha, sino en cómo se alternan las direcciones de sus átomos. En los antiferromagnetos, estas flechas se compensan entre sí, por lo que desde fuera el material parece no magnético. La escritura está ahí, pero no se puede leer de la manera habitual: el estado es como una nota escrita con tinta invisible.

En el cristal de Rb1-xV2Te2O, los espines de los átomos de vanadio se ordenan en un patrón de tablero de ajedrez: cada espín está rodeado por espines opuestos. Este patrón se denomina antiferromagnetismo de tipo G.

Un panal está construido con celdas idénticas, pero basta con alterar ligeramente la forma de una para que toda la estructura adquiera nuevas propiedades. Algo similar hicieron los investigadores al crear un imán sin un solo átomo de metal. Tomaron moléculas planas de carbono con forma de triángulo —los triangulenos— y las dispusieron en una red hexagonal, como las abejas construyen su panal.

Una red triangular, en cuyos nodos se asientan diminutas agujas magnéticas. Por esta red corren electrones, portadores de corriente. Normalmente, las agujas se alinean de manera simple: todas en una dirección (ferromagnético) o alternándose en el plano.

La pista de baile está llena de gente que se mueve cada uno por su cuenta. De repente, algunos se dividen en parejas: giran sin apenas notar a los vecinos, mientras los demás se alinean en cadenas. Algo así hacen los átomos en el metal CsCr₃Sb₅, uno de los representantes de los metales kagome, cuya red cristalina recuerda a una cesta tejida.

Un imán normal de nevera atrae el hierro porque en su interior todas las diminutas agujas magnéticas apuntan en la misma dirección. Pero hay materiales donde las agujas se ordenan de forma más retorcida: las filas vecinas apuntan en direcciones opuestas y desde fuera parece que no hay magnetismo. A estos materiales se les llamó altermánes.

La colisión de partículas a gran velocidad produce una lluvia de nuevas partículas. Entre ellas se encuentran los antiprotones, gemelos de los protones ordinarios, pero con carga opuesta. Cada una de estas partículas tiene su propia rotación, como una pelota de tenis lanzada con efecto. Pero si los antiprotones nacen con espín, nadie lo ha comprobado hasta ahora.

Un cristal sin centro de simetría es como una habitación donde una pared es espejo y la otra es mate: el reflejo no coincide con el original. Estos materiales suelen comportarse de manera extraña porque los electrones perciben la distorsión de la red.