interacción de intercambio

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.

En una habitación tranquila, sin un solo imán, dos electrones en una trampa de silicio siguen sintiendo un leve temblor. Lo crean los núcleos de los átomos de silicio y germanio, que giran caóticamente como las agujas de brújulas rotas. Antes se consideraba ese temblor una molestia, pero ahora se ha convertido en un instrumento de medición.

Cuando un núcleo atómico pesado se parte en dos fragmentos, entre ellos queda un hilo cuántico invisible. Ese hilo es el entrelazamiento: el estado de un fragmento está ligado instantáneamente al del otro, como si aún fueran una sola cosa.

El grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, puede cambiar sus propiedades magnéticas como el agua cambia de forma: ora fluye, ora se congela en hielo. En el nuevo trabajo, los físicos han mirado por primera vez dentro de este proceso con un sensor del tamaño de la punta de una aguja.

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.

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 diapasón golpeado suena limpio y durante mucho tiempo. Pero si mientras suena agitas ligeramente el propio diapasón, el sonido empezará a temblar y se apagará rápidamente. Algo parecido ocurre con los electrones en cualquier trozo de materia. Los átomos en la red nunca están quietos: las vibraciones térmicas los hacen temblar continuamente.

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.

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 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.

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.

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.

Las cadenas cuánticas de espín recuerdan a una fila de personas que se pasan un apretón de manos secreto: cada uno se gira hacia el vecino, y la forma en que la onda recorre toda la cadena depende de cuán fuerte se estrechan las palmas.

El cosmos está atravesado por campos magnéticos. Los tienen las galaxias, las estrellas e incluso los vacíos casi vacíos (enormes regiones vacías entre cúmulos de galaxias). Normalmente se cree que los campos se amplifican a partir de campos 'semilla' débiles gracias a la turbulencia, como una dinamo.

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.

Los libros de texto dividen las partículas en dos bandos: a los bosones les encanta amontonarse en un mismo estado, mientras que los fermiones se niegan rotundamente. Pero la naturaleza admite una tercera opción. Los anyones son cuasipartículas cuyo comportamiento se sitúa en algún punto intermedio.

El espacio-tiempo puede imaginarse como una tela bien tensada. Un cuerpo masivo la hunde, dirigiendo la luz. El giro, en cambio, retuerce la tela en espiral. Ese remolino gravitacional es capaz de entrelazar un fotón pasajero con la propia fuente del giro — por ejemplo, un diminuto espejo.

Un imán ordinario se parece a una brújula: la aguja apunta al norte. Pero una brújula cuántica puede mirar en ambas direcciones a la vez. Si un imán que flota en el vacío se hace girar con cuidado, sus 'trompos' electrónicos se sincronizan de tal modo que todo el trozo de metal empieza a vivir bajo las leyes del micromundo: se congela en una superposición, como un indicador…

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 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.

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.

Un peine pasado por el cabello atrae trocitos de papel. Este sencillo truco de física se ha decidido aplicar a nivel microscópico para controlar los vórtices magnéticos llamados skyrmiones.

Un malabarista lanza mazas sentado en una silla giratoria. Si comienza a hacer girar las mazas todas en la misma dirección, la silla girará en sentido contrario; de lo contrario, se violaría la ley de conservación del momento angular.

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.

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.

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 cristal se parece a un pastel relleno: capas de átomos de europio, galio y aluminio se alternan en un orden estricto. Normalmente, estos materiales no deberían sorprender por su magnetismo: son demasiado simétricos. Pero dentro de este cristal se han descubierto vórtices magnéticos, parecidos a pequeños remolinos, que se organizan en redes ordenadas.

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.

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 cristal de hierro se asemeja a un mosaico de muchos granos densamente empaquetados. Donde un grano se encuentra con otro, surge un límite: una costura estrecha con un orden alterado. Es precisamente en estas costuras donde se esconden sorpresas para el magnetismo.

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.

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.

Un diminuto imán, formado por apenas dos moléculas, se posó sobre una superficie metálica y se comportó como un director de orquesta caprichoso. Normalmente, los electrones en un metal se mueven de manera coordinada, como una multitud en una escalera mecánica. Pero con un enfriamiento intenso, ese orden se rompe y el movimiento se vuelve impredecible.

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.

La aguja magnética de una brújula gira lentamente, pero en el interior de algunos materiales los diminutos momentos magnéticos pueden reorientarse en tiempos difíciles de imaginar. Un grupo de físicos ha calculado cómo hacer que cambien de dirección en una millonésima de milmillonésima de segundo. Es más rápido que un parpadeo.

380 mil años después del Big Bang, el universo se enfrió lo suficiente para que los electrones y protones se unieran por primera vez formando hidrógeno neutro. Aunque este evento se llama recombinación, en realidad fue el primer encuentro: hasta entonces, el calor impedía que las partículas se aglutinaran.

Un anillo de átomos magnéticos recuerda a una ronda en la que cada participante toma de las manos a sus vecinos. En los imanes ordinarios, cada átomo posee su propio momento magnético permanente, y estos interactúan como pequeñas agujas que tienden a alinearse en direcciones opuestas.