acoplamiento de intercambio

Dos bailarines en un mismo escenario: uno tira de su pareja hacia un lado, el otro hacia el opuesto. En el cristal Cu2(OH)3Br, conocido como botallackita, los átomos de cobre se disponen en cadenas donde los espines (momentos magnéticos) de iones vecinos se alinean ya sea en paralelo, como en un ferromagneto, o en antiparalelo, como en un…

Sintonizar una radio para captar una estación que cambia de frecuencia al cruzar la frontera entre fases: así puede imaginarse el reto que tenían los investigadores. En el metal YbRh2Si2, los electrones se comportan como partículas "pesadas": su masa efectiva es cientos de veces mayor que la del electrón libre.

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.

Dos electrones que salen de la punta de una aguja metálica casi al mismo tiempo comienzan a repelerse, como dos personas que intentan pasar a la vez por una puerta estrecha. Cuanto más cerca están el uno del otro, más se estorban.

Un átomo solitario de erbio yace sobre un sustrato de plata, y su espín —la rotación interna del electrón— almacena información cuántica. Antes, para invertir ese espín se necesitaba un pulso magnético: una herramienta tosca que afecta a los vecinos y trabaja lentamente. Ahora, físicos de Alemania y Corea han demostrado que basta con un voltaje eléctrico.

Gota a gota desde un grifo, o un chorro uniforme sin una sola salpicadura. Así se ven aproximadamente los dos regímenes de corriente en un contacto superconductor. Solo que el papel del agua lo desempeñan los pares de Cooper: electrones enlazados que se mueven sin resistencia.

Una nube de átomos fríos está atrapada entre dos espejos. Se hace pasar luz a través de ella y los átomos comienzan a emitir colectivamente —este efecto se denomina superradiancia. Pero los átomos no solo "brillan": sus espines (las agujas magnéticas internas) interactúan con la luz de dos maneras diferentes.

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.

Desde que Edwin Hubble descubrió la expansión de las galaxias, la ley de expansión del universo — ley de Hubble — sigue siendo la piedra angular de la cosmología.

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.

Desde hace casi cuarenta años, la superconductividad de alta temperatura en los cupratos sigue siendo uno de los enigmas más profundos de la física de la materia condensada.

La cocina cosmológica está llena de ingredientes invisibles. La materia oscura, como un andamiaje invisible, mantiene a las galaxias unidas, mientras que la energía oscura, como la levadura en la masa, hace que el espacio se expanda cada vez más rápido.

Un diminuto cristal de átomos cargados, atrapado en una trampa, tiembla por el calor. Cada ion oscila como una bolita en un resorte, y estas oscilaciones impiden utilizar el cristal para operaciones cuánticas precisas. Normalmente, el exceso de energía se elimina con un láser: el haz golpea los iones y frena su movimiento, como una corriente de aire que amortigua un péndulo.

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 una habitación oscura, una cuenta de vidrio del tamaño de una mota de polvo cuelga de un rayo láser. Debajo hay dos espejos: uno de aluminio y otro de plata. Si cerca pasan axiones —ligeras partículas invisibles que podrían constituir la misteriosa materia oscura—, estos intercambian axiones con los átomos de los espejos y la cuenta se desplaza ligeramente.

En el cristal de nitruro de boro, la red atómica perfecta a veces se rompe: en algún lugar falta un átomo, en otro lo reemplaza uno extraño. Bajo un potente microscopio, estas diminutas imperfecciones se ven como trampas para electrones: capturan partículas y comienzan a brillar, y además responden a un campo magnético.

Dos corrientes rápidas de partículas cargadas chocan — y las líneas de campo magnético comienzan a romperse y reconectarse. Este proceso alimenta las erupciones solares y las auroras boreales. Usualmente se pensaba que todas las partículas se comportan igual, como balas de un mismo rifle.

La pista de baile está llena de gente: cada uno se mueve por su cuenta, nadie se toma de las manos. De repente, la música se vuelve más fuerte y rítmica: los vecinos empiezan a agarrarse unos a otros, formando parejas que giran sincronizadas.

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.

Si aprietas un puñado de arena en la mano, primero se compacta, pero luego comienza a resistirse: los granos ya no tienen dónde ir. En el interior de una estrella de neutrones ocurre algo parecido, solo que en lugar de granos de arena hay partículas elementales, y en lugar de la mano, una gravedad monstruosa.

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.

El silicio es el material del que están hechos los procesadores de todos los teléfonos y portátiles. Ahora se ha logrado atrapar un electrón individual y controlar su espín —ese diminuto imán que puede apuntar "hacia arriba" o "hacia abajo".

Dos orillas superconductoras están unidas por un puente de material magnético. Dentro del puente hay una pared de dominio: un límite estrecho donde la magnetización se invierte, como una fila de soldados que cambia la dirección del paso.

El cristal de iridato de perovskita SrIrO₃ se asemeja a una fila de soldados, donde cada iridio porta un momento magnético. Cuando parte de los 'soldados' de iridio se reemplazan por estaño, que no posee momento magnético, la fila se vuelve más dispersa.

Un imán de nevera se pega porque las diminutas agujas atómicas en su interior están alineadas en una misma dirección. Pero si esas agujas empiezan a discutir entre ellas —unas tiran a la izquierda, otras a la derecha, otras giran como peonzas— surge la frustración magnética. Ese desorden da lugar a patrones extraños: franjas, espirales, vórtices.

En una película magnética delgada, como en una sala abarrotada, cada 'persona' es una flecha de espín que tiende a alinearse con sus vecinos. Pero en las esquinas de la sala se forman aglomeraciones: vórtices donde las flechas giran y no pueden alinearse.

Un electrón en un cable ordinario es como un mensajero que lleva a la vez el paquete y la firma del destinatario: su carga y su espín siempre van juntos. Pero si el cable se hace tan delgado como un solo átomo, el mensajero se siente apretado.

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.

Cuando un protón rápido choca contra el núcleo de un átomo, por un instante nacen partículas nuevas. Una de ellas es el mesón fi: un cúmulo de materia de vida corta que se desintegra en un par electrón-positrón. Captar esa desintegración es como oír el eco de una explosión lejana: la explosión ya terminó, pero su rastro aún vuela.

En un plasma donde algunos átomos permanecen neutros, las líneas de campo magnético pueden reorganizarse a diferentes velocidades. Es como dos bandas elásticas que primero están enganchadas y de repente se sueltan y se contraen, liberando energía.

Un haz de luz con polarización circular incide sobre un cristal de perovskita MAPbI3. Los electrones dentro del cristal comienzan a comportarse como pequeñas peonzas cuyos ejes se alinean a lo largo del haz. Este fenómeno se conoce como orientación óptica de espines.

La aguja magnética de una brújula siempre apunta al norte porque, en el interior del material, todos los imanes atómicos están alineados en la misma dirección. Pero hay materiales donde los átomos vecinos miran en direcciones opuestas, como filas de soldados que se han girado para quedar cara a cara. Estos materiales se llaman antiferromagnetos.

Un electrón en una molécula es como una peonza lanzada en la dirección correcta. Las moléculas quirales, retorcidas en un sentido, como una escalera de caracol, dejan pasar electrones solo con una dirección de giro. Esta propiedad se llama selectividad de espín inducida por quiralidad y permite controlar el espín sin imanes.

Las aves migran utilizando el campo magnético. En sus ojos hay una proteína llamada criptocromo. Esta capta la luz solar, especialmente la azul, e inicia una reacción. La absorción de luz da lugar a un par de partículas que reaccionan sensiblemente al campo magnético.

El entrelazamiento cuántico es como un resorte invisible entre partículas: aprietas una y la otra se mueve, sin importar dónde esté. En el nuevo trabajo, los físicos construyeron un modelo de cuatro espines (pequeñas agujas magnéticas) en una cadena, donde los espines extremos están sujetos por un campo magnético local.