magnetometría de diamante

El oleaje llega a la orilla no con un frente uniforme, sino con lenguas de espuma que unas veces se funden y otras se separan. Los campos magnéticos dentro de los materiales se comportan de forma parecida: respiran en forma de ondas y, hasta ahora, nadie las había visto en su totalidad.

El diamante no es solo una joya. Dentro de su red cristalina se esconden defectos que detectan el campo magnético mejor que muchos instrumentos. Uno de esos defectos, el centro NV, funciona como una brújula diminuta, pero su aguja tiembla por el calor y el ruido. Para que la brújula apunte con precisión, hace falta calibrarla.

Una lámpara común brilla de manera constante, pero un faro emite destellos cortos. Científicos de Londres hicieron que un diminuto diamante funcionara como un faro, pero no para la luz, sino para las ondas de radio. Para ello, añadieron un poco de nitrógeno al cristal y luego lo iluminaron con un láser verde.

En el cristal laminar CrSBr, los momentos magnéticos de los átomos están alineados como notas en una partitura: dentro de cada capa apuntan en la misma dirección, y entre capas, en direcciones opuestas. Esta melodía antiferromagnética suena hasta 132 kelvin, y más allá, el movimiento térmico destruye el orden.

El armazón magnético del cristal EuMnSb2 recuerda a un andamiaje: los átomos de manganeso forman postes verticales rígidos, y los de europio, travesaños móviles. Hasta ahora no había consenso sobre el ángulo de inclinación de estos travesaños en reposo ni sobre cómo giran cuando el campo magnético presiona sobre el andamio.

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.

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.

Un receptor de radio del tamaño de la palma de la mano puede medir la potencia de la señal con más precisión que los costosos bancos de laboratorio. En su interior no hay bobinas ni antenas, solo una cabeza de vidrio y una nube de átomos de rubidio enfriados casi hasta el cero absoluto.

En las profundidades de la Tierra, el hierro está al rojo blanco y la presión es tal que un instrumento común quedaría aplastado. Para asomarse a ese mundo, los físicos crearon un microscopio especial basado en diminutos defectos del diamante (los llamados centros NV).

Los sensores magnéticos convencionales pierden sensibilidad al reducir su tamaño. Pero los científicos convirtieron un diminuto diamante en una brújula luminosa. A diferencia de los diamantes de joyería, aquí no se valora la pureza, sino los defectos creados artificialmente: son ellos los que transforman el cristal en una brújula.

Intentar contar a las personas en una habitación oscura por el sonido de su respiración choca con el ruido general: no se oyen las respiraciones individuales. Un problema similar enfrentan los científicos que trabajan con espines cuánticos en sólidos. Cada espín (el momento magnético del electrón) tiene su propia "voz", pero el ruido técnico de los instrumentos la ahoga.

Un diminuto diamante con un defecto: un átomo de nitrógeno junto a una vacante en el cristal. Este defecto, el centro NV, funciona como una aguja magnética: bajo luz verde emite luz roja, y el brillo depende de la dirección de su campo magnético.

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 computadora cuántica de átomos neutros se parece a una biblioteca donde los libros no solo hay que leerlos, sino también devolverlos rápido al estante. La lectura lenta del resultado es como un bibliotecario lento que retrasa a toda la cola. Los científicos encontraron una forma de acelerar este proceso añadiendo ayudantes.

Una enana blanca es lo que queda de una estrella como el Sol después de que expulsa sus capas exteriores. Queda un núcleo caliente del tamaño de la Tierra, pero con una masa cercana a la solar. Una cucharadita de esa materia pesaría como un camión. Algunas de estas estrellas poseen campos magnéticos muy intensos, mil millones de veces más potentes que el terrestre.

En los laboratorios donde los átomos se enfrían casi hasta el cero absoluto, cualquier cambio diminuto del campo magnético desajusta todos los parámetros.

En los sólidos, los átomos vibran transmitiendo el sonido. A veces, esta onda no viaja en línea recta, sino que se enrolla en espiral, como un sacacorchos entrando en un corcho. En cristales comunes, estos 'vórtices sonoros' se conocen, pero en materiales magnéticos no se habían podido observar durante mucho tiempo.

Un diminuto diamante flota en el aire, sostenido por un campo eléctrico, como una mota de polvo en un rayo de luz. En su interior se esconden defectos: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por nitrógeno y, junto a él, hay un hueco.

El calor dentro de una célula es como el tráfico en una ciudad: en unas calles anchas el flujo es rápido, pero en callejones estrechos todo se atasca. Los científicos han encontrado la manera de trazar un mapa de esos «atascos» de calor sin abrir la célula. Tomaron diminutos diamantes, tan pequeños que no se ven a simple vista, y los colocaron sobre una fina lámina de oro.

Convertir gases ligeros, como el hidrógeno y el nitrógeno, en metal es un viejo sueño de los físicos. En un nuevo experimento, el nitrógeno se comprimió a 130–140 gigapascales (presión equivalente a 14 millones de kilos sobre una uña) y se calentó a 3000°C.

Un diminuto defecto en el cristal de un diamante funciona como una antena sensible. Si un campo magnético oscila cerca, este defecto —una vacancia de nitrógeno— responde con un destello de luz. Antes, para escuchar la señal, había que acumular muchas mediciones repetidas, como quien escucha un susurro pegando el oído a la puerta.

Una pizca de polvo de diamante en un vaso de líquido actúa como cientos de diminutas brújulas magnéticas. Cuando aparecen cerca moléculas con electrones desapareados (llamadas paramagnéticas), las agujas de esas brújulas comienzan a temblar. Ese temblor permite saber qué molécula es y cuánta hay.

Una balanza de muelle en la mochila de un geólogo responde con sensibilidad a cada montaña y depresión bajo sus pies. Pero el muelle se cansa y sus lecturas se desvían: el instrumento debe contrastarse con un patrón de vez en cuando.

A veces, en un diamante aparece un defecto: en lugar de dos átomos de carbono vecinos, hay un átomo de nitrógeno y un hueco. Este defecto es como una antena diminuta que responde al campo magnético.

El campo magnético es invisible, pero se puede hacer que «brille» con la ayuda de diminutos defectos en el diamante: los centros de nitrógeno-vacancia. Cada uno de estos defectos funciona como una brújula en miniatura que indica hacia dónde está orientado el campo.

Un diapasón suena en una sola nota, pero junto a él siempre se escuchan armónicos suaves: frecuencias múltiples que se mezclan con el sonido fundamental.

Un diminuto defecto en el diamante es como un oído microscópico, capaz de captar la «respiración» magnética del corazón. Estos sensores funcionan a temperatura ambiente y no superan el tamaño de un grano de arena.

En una celda de yunques de diamante, la presión comprime la materia como si estuviera enterrada a cientos de kilómetros de profundidad en la Tierra.

El campo magnético es invisible, pero se puede hacer que 'brille'. Para ello se toma un diminuto diamante con defectos: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por nitrógeno y, junto a él, falta un nodo de la red.

Una brújula magnética común se congela cuando un rayo cae cerca. El repentino salto del campo magnético confunde a la aguja. Un problema similar impedía a los científicos medir el magnetismo de los materiales en campos pulsados intensos, de esos que se activan por una milésima de segundo. La nueva instalación resuelve este problema con un rayo láser.

En una habitación oscura, un diminuto diamante brilla en rojo cuando un láser verde incide sobre él. Esa luz no es un adorno, sino una señal: su intensidad cambia si hay un campo magnético cerca. En el diamante hay defectos: átomos de nitrógeno con una vacante adyacente.

Una célula no se limita a reposar sobre una superficie: la palpa, la estira y la empuja. Hasta ahora, los instrumentos solo detectaban fuerzas directas: cuánto presiona o estira la célula su soporte. Pero si tomas una célula por los "hombros" y la giras ligeramente, ella responde retorciéndose, y ese giro, hasta hace poco, nadie lo había medido.

En el cristal de diamante hay grietas invisibles: las dislocaciones. Son lugares donde las filas de átomos están desplazadas, como si en una pila de papel se hubiera sacado una hoja a medias. Alrededor de estos lugares se genera tensión, y esta afecta a cómo el material se rompe, se dobla o conduce la electricidad.

En la década de 1930, Fritz Zwicky, al observar el cúmulo de Coma, notó velocidades anómalamente altas en las galaxias: su movimiento indicaba la presencia de una enorme masa oculta que mantenía unido gravitacionalmente al sistema.

Las computadoras cuánticas requieren memoria confiable. En el cristal de diamante — carbono — la información se almacena en la orientación de diminutas flechas magnéticas (espines) en defectos especiales. Leer esas flechas con luz era engorroso: la óptica resulta voluminosa para los chips. El nuevo método funciona como el revelado de una película fotográfica.

Dentro de un yunque de diamante, un dispositivo donde dos diamantes comprimen una muestra hasta cientos de gigapascales, la presión se distribuye de manera desigual. Algunas zonas están más comprimidas, otras menos.