antiferromagneto

Una orquesta sin director puede sonar afinada si los músicos sienten el ritmo común. En el mundo de los sólidos, ese ritmo lo marcan los fonones: los cuantos de las vibraciones de la red cristalina. Cuando los átomos del sustrato comienzan a moverse en círculo, pueden transmitir su rotación a la capa magnética que tienen encima e invertir su magnetización.

En una gran sala, dos diapasones están sobre soportes giratorios. Cada uno está afinado a una nota distinta, pero si los soportes se giran al ángulo adecuado, los diapasones comienzan a sonar al unísono, intercambiando vibraciones a través del aire.

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.

Una escalera cuyos travesaños son imanes diminutos. Si los imanes vecinos apuntan en direcciones opuestas, la escalera está «tranquila». Pero si se les obliga a apuntar en la misma dirección, toda la estructura se magnetiza y se vuelve «testaruda». Los científicos construyeron esta escalera con átomos de germanio, un semiconductor con el que se fabrican transistores.

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.

Dos láminas de grafeno —capas ultrafinas de carbono de un átomo de espesor— están apiladas como el pan en un sándwich. Entre ellas hay una capa magnética de CrSBr. Cuando se hace pasar corriente a través de este sándwich, la resistencia depende de hacia dónde apuntan los momentos magnéticos en la capa intermedia.

Un imán que pesa unas pocas partículas de arena flota en el aire sin ningún soporte. No toca las paredes, no roza con cojinetes: simplemente cuelga en una trampa magnética, como una mota de polvo en un rayo de sol.

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 agujero negro no es una aspiradora. Por sí mismo, no atrae todo con más fuerza que una estrella ordinaria de la misma masa. Pero si cerca de él hay un campo magnético y alrededor vuelan partículas cargadas, comienza un juego interesante.

Un espejo magnético es un tubo abierto por ambos extremos. El campo magnético en su interior está dispuesto de modo que el plasma caliente no se escape: en los extremos se concentra, como un tapón en una botella. Las partículas de plasma que vuelan hacia la salida son repelidas por estos «tapones» y regresan.

El radio de la estrella cae mil kilómetros. No porque su masa haya crecido, sino porque su propio campo magnético ha comprimido la corteza, como un corsé invisible.

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.

La bobina de Tesla chisporrotea y un rayo de luz comienza a girar a su alrededor. El medio por el que atraviesa aún es estable, pero el campo crece y la rotación se intensifica. Esto no es un truco, sino el comportamiento de materiales especiales que acoplan electricidad y magnetismo.

Un globo inflable con líneas de campo magnético dibujadas con rotulador es un modelo sencillo de cómo se comporta un campo magnético débil en un universo en expansión. Mientras el globo es pequeño, las líneas yacen obedientemente sobre la goma y no impiden que se estire. Así, aproximadamente, el campo llena el espacio ya existente sin discutir con su geometría.

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 cristal que durante siglos se llamó 'oro de los tontos', los físicos vislumbraron un auténtico tesoro. El compuesto MnTe2 con estructura de pirita se convirtió en el escenario de un ballet cuántico: las ondas de espín se retuercen aquí en vórtices zurdos y diestros, y la dirección de giro está indisolublemente ligada al momento.

Crear un material con propiedades predeterminadas es un arte que durante mucho tiempo dependió de la intuición y la suerte. La naturaleza no da pistas: decenas de elementos en la tabla periódica, y el número de sus combinaciones tiende al infinito. Antes, los científicos de materiales parecían alquimistas que probaban todo a ciegas, o confiaban en modelos estadísticos que perdían fuerza más allá de lo conocido.

En la oscuridad total de una cámara de vacío flota un diminuto imán. No toca las paredes y apenas pierde energía: un guardián perfecto, listo para captar el más leve empujón. Ese guardián es justo lo que se necesita para cazar axiones. Estas partículas son las principales sospechosas del caso de la masa oculta del universo, a la que llamamos materia oscura.

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.

Un interruptor que sabe por sí solo hacia dónde fluir. Así funciona un diodo de Josephson: un puente superconductor donde la corriente pasa con facilidad en un sentido y encuentra resistencia en el otro. En el nuevo trabajo, ese puente se fabricó con grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor.

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.

Un enjambre de luciérnagas apenas choca entre sí, pero cambia de color sincronizadamente intercambiando señales. Así se comportan los neutrinos en los densos flujos de estrellas en colapso: se transforman colectivamente de un tipo a otro, aunque individualmente interactúan muy débilmente.

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.

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.

En la orquesta de los átomos, cada instrumento tiene su propia partitura. Pero a veces dos músicos empiezan a tocar al unísono, y el sonido se amplifica muchas veces. En el mundo cuántico, esta 'armonía' se llama resonancia de Feshbach. Permite controlar las interacciones atómicas con una precisión de joyero.

Un vórtice magnético, o skyrmión, se parece a un pequeño remolino en el mar de los espines, los momentos magnéticos intrínsecos de los átomos. Como un embudo en un río, enrolla la magnetización a su alrededor, y este patrón resulta muy estable: es difícil destruirlo con una sacudida aleatoria.

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.

El espectro de una sustancia es su huella dactilar. Normalmente, para obtenerlo, se coloca la muestra en un campo magnético intenso, como en un tomógrafo. Pero hay una manera de prescindir por completo del imán: registrar la señal de los núcleos atómicos a campo cero.

Una pila de láminas magnéticas, cada una imantada en dirección opuesta a la vecina, es como un sándwich de capas donde los electrones se mueven como un solo organismo. Todo el material empieza a imitar al axión, una partícula fantasma que los físicos sospechan que es la materia oscura.

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.

Un gas superfluido se comporta como un líquido sin fricción. Dos nubes de este gas se conectan mediante un puente estrecho, y a través de él fluye una corriente de partículas. Esto recuerda al efecto Josephson en los superconductores, pero en lugar de electrones, son átomos neutros.

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.

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.

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.

El óxido de rutenio fue considerado durante mucho tiempo un altermagneto ejemplar: un material en el que los momentos magnéticos de átomos vecinos apuntan en direcciones opuestas, pero no se compensan por completo debido a la simetría especial del cristal. Nuevas mediciones han demostrado que en el interior del cristal no hay magnetismo alguno.

En una película delgada de óxido de níquel, las regiones magnéticas, como piezas de un mosaico, se disponen en un orden estricto. Un solo pulso láser calienta el material al instante y el mosaico se desmorona: los dominios pierden su orientación y se mezclan.