efecto Hall anómalo

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.

La corriente en un metal ordinario fluye como una multitud por una calle recta: cada electrón va por su cuenta, y si se aplica un campo magnético, toda la multitud se desplaza ligeramente hacia un lado. Ese desplazamiento se llama efecto Hall.

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.

Un láser golpea un átomo y arranca un electrón. Cuanto más brillante es la luz, más fuerte es el empujón y más rápido sale el electrón. Así funciona la imagen habitual, donde la luz es una onda uniforme. Pero, ¿y si la luz no es uniforme, sino 'comprimida', con fluctuaciones cuánticas, como el temblor de una cuerda?

El campo magnético suele actuar como un estricto controlador de tráfico: para que el calor se convierta en electricidad, debe colocarse de través en el camino. Si el campo se alinea con el flujo de calor, el efecto desaparece, o al menos así se creyó durante décadas.

Un vórtice en un material magnético es como un remolino, pero en lugar de agua, lo que gira son las direcciones de la magnetización. Un electrón que atraviesa ese vórtice no siente solo un campo magnético, sino una curvatura del espacio: su camino se dobla como si rodara por un embudo con cuello estrecho.

Una tetera hirviendo en la estufa se evapora por completo con el tiempo; así, según las ideas clásicas, un agujero negro debería desaparecer gradualmente entre silbidos de radiación. Pero, ¿y si le añadimos un ingrediente especial a la tetera?

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.

Un rayo láser se asemeja a un vorágine veloz que atrapa por un instante al electrón que pasa. Mientras la partícula atraviesa el pulso, su espín (una rotación intrínseca, como la de una diminuta peonza) sufre un leve empujón. Al salir del haz, la peonza ya no apunta en la misma dirección: se ha girado un poquito.

La corriente eléctrica ordinaria calienta los cables: cualquiera que haya tocado un cargador de teléfono lo sabe. Pero existe una corriente de otro tipo: en ella los electrones no corren en masa hacia un lado, sino que giran sincronizados, como patinadores en pareja. Ese giro coordinado se llama corriente de espín y casi no produce calor.

Un par de agujeros negros gira en un baile, acercándose gradualmente. Pierden energía y rotación, un proceso que se conoce como emisión de momento angular. En la teoría ordinaria de Einstein, solo las ondas gravitacionales se llevan el momento.

Un fino sándwich de dos materiales distintos. Se hace pasar una corriente eléctrica — y la capa superior se magnetiza en una dirección, mientras que la inferior lo hace en la opuesta. No es un truco, sino el efecto Edelstein de capas (del inglés layer Edelstein effect), que acaban de describir los físicos.

La agonía de un agujero negro solitario dura una eternidad. Pero en los últimos instantes, cuando la masa se evapora según la ley descubierta por Stephen Hawking, alcanza a enviar una señal de despedida en forma de ondas de radio. No un susurro cuántico, sino un zumbido clásico, siempre que haya un campo magnético cerca.

En 1915, Альберт Эйнштейн y Wander Johannes de Haas demostraron que al magnetizar una barra de hierro, esta gira ligeramente: el momento angular de los electrones se transfiere a la red cristalina.

La fusión de agujeros negros no es un golpe silencioso. El agujero recién nacido vibra y se amortigua, emitiendo ondas gravitacionales, ondas en el propio espacio. Esta señal se llama «tañido» (ringdown) y se parece al sonido de una campana que se apaga: tiene un tono fundamental y varios armónicos.

En el mundo de los materiales bidimensionales a veces nacen estados tan inusuales como frágiles. Uno de ellos — el cristal anómalo fraccionario de Hall (FAHC) — es como un centauro cuántico: mitad red ordenada, mitad líquido topológico.

Un líquido superfluido fluye sin fricción, como agua que nunca se detiene. Pero si se le hace girar, no solo rota: cada diminuto vórtice recuerda exactamente cómo se le hizo girar. Esa "huella" no es una metáfora, sino una impresión geométrica real que los físicos llaman fase de Berry (el desfase acumulado por una onda al recorrer un camino cerrado).

Cuando los físicos hacen circular electrones por un canal ultrapuro de arseniuro de galio a temperaturas de helio, esperan ver un líquido dócil, casi ideal.

Un océano que impregna todo el espacio permanece invisible para nosotros. Ese océano es la materia oscura, y las olas en su superficie son partículas llamadas axiones. Son tan ligeros y escurridizos que atraviesan la Tierra sin siquiera notarla.

Un traductor trabaja en una sala ruidosa. El murmullo de voces, el tintineo de los platos, fragmentos de conversaciones ajenas: parece que debería equivocarse constantemente. Pero al final del día, sus notas coinciden perfectamente con las que habría tomado en el silencio de su despacho. Más o menos así se comporta la regla cuántica que los físicos llaman anomalía axial.

El electrón y el muón son migajas magnéticas. Su magnetismo es ligeramente mayor que dos (en unidades especiales), y esta 'fracción excedente' (momento magnético anómalo) surge del constante oleaje en el vacío: pares de partículas que aparecen y desaparecen por un instante.

Dos imanes sobre una mesa se atraen o se repelen, según cómo estén orientados sus polos. Dentro de cada pieza se esconden diminutas regiones donde todas las flechas magnéticas apuntan en la misma dirección. Estas regiones se denominan dominios, y de su disposición depende cómo se comporte el material en un circuito eléctrico.

Tira una piedra a un estanque y verás ondas en el agua. Golpea una campana y resonará a su frecuencia. Un agujero negro tras colisionar con otro también "suena", solo que en lugar de sonido, lo que vibra es el propio espacio. Estas oscilaciones amortiguadas se denominan modos cuasinormales (como un tañido que se va apagando poco a poco).

Si lanzas un puñado de monedas sobre una mesa, caerán al azar. Pero en algunos cristales, los átomos se ordenan en un patrón que recuerda a una cesta tejida: la red kagome. En el metal MgMn₆Sn₆, los átomos de manganeso forman esta red, y a temperatura ambiente actúan como pequeñas agujas magnéticas.

En el corazón de una galaxia activa, donde el gas interestelar se arremolina en un deslumbrante disco de acreción alrededor de un agujero negro supermasivo, nace una frontera que ni siquiera el sonido puede atravesar. Este horizonte acústico se consideró durante mucho tiempo una ondulación congelada en el agua.

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.

La palma de la mano sobre una placa caliente siente el calor, incluso cuando el aire alrededor parece fresco. Algo similar ocurre con los electrones en el efecto Aharonov-Bohm: la partícula percibe el voltaje eléctrico, aunque entra en una región donde el campo ya está apagado.

En una cacerola con sopa hirviendo, las corrientes turbulentas llevan el calor hacia las paredes y la sopa se enfría. En un tokamak — una enorme botella magnética para el plasma — ocurre lo mismo: los remolinos de turbulencia arrastran la energía hacia afuera, impidiendo encender la reacción de fusión.

Una piedra cae en un estanque y las ondas se expanden por el agua. Pero si la piedra es muy pequeña y el agua no es del todo común, las ondas la atraviesan sin siquiera darse cuenta. Algo así ocurre con las vibraciones sonoras en el helio superfluido: a energías extremadamente bajas, se filtran a través de los obstáculos como si no existieran.

Un carrusel de luz no hace girar a personas, sino a electrones. En lugar de caballitos de madera, hay aspas invisibles hechas de luz. Ese es el «carrusel» que han construido los físicos para dar rotación a los electrones. Normalmente, para enrollar un haz de electrones en un vórtice se necesita una máscara diminuta: una plantilla con ranuras tallada a escala atómica.

Las capas de un material delgado, giradas una respecto a la otra, recuerdan a dos rejillas superpuestas. En los puntos donde se cruzan las líneas surge un nuevo patrón: el moiré. En este patrón, los electrones se mueven de manera diferente a como lo hacen en un cristal ordinario y pueden formar estados inesperados.

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.

Un cristal parecido a una pila de panqueques se colocó sobre un sustrato liso de óxido de magnesio. Se obtuvo una película de cientos de átomos de espesor. Cuando se hizo pasar corriente a través de ella y se encendió el imán, la resistencia aumentó casi una cuarta parte: un 22,5% con un campo de 9 teslas.

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.

Entre los imanes hay maestros silenciosos de la transformación. Un imán común atrae clips y tiene dos polos: norte y sur. Pero hay materiales que por dentro están dispuestos como un tablero de ajedrez magnético: sus átomos se alinean en un orden estricto, pero por fuera el material se comporta de manera neutra, como si el imán no existiera. A estos materiales se les llama altermagnetos.

Una pequeña bolita con relleno de hierro descansa sobre una superficie, y a su alrededor gira un campo magnético. La bolita empieza a rodar como una rueda y normalmente va hacia donde gira el campo. Pero a veces, de repente, da la vuelta y rueda en dirección contraria, contra el campo.

Una lámina ordinaria de fósforo negro se parece a un pastel de capas de átomos. Si la iluminas con una lámpara común, no ocurre nada especial: los electrones permanecen quietos, como espectadores en una sala oscura. Pero un destello láser corto, que dura millonésimas de milmillonésima de segundo, sacude esa sala.

Bajo un campo magnético intenso, los electrones confinados en una capa delgada a veces se alinean en un patrón regular, como invitados en una fiesta concurrida que encuentran un lugar donde nadie los empuja. Este orden se denomina cristal, aunque no es hielo ni sal, sino los propios electrones inmóviles en sus posiciones.

Dos juegos de columpios que se balancean en direcciones opuestas no inclinan la plataforma. Sin embargo, su movimiento genera remolinos invisibles que empujan una pelota hacia un lado. Así se comportan los alternimanes: las agujas magnéticas de los átomos están completamente equilibradas, pero una simetría oculta curva el flujo de calor.