flexoelectricidad

Sobre la mesa hay un trozo de grafito cultivado a partir de gas, como una capa en la pared de un reactor. Normalmente, ese material no sirve para convertir calor en electricidad: en su interior, los electrones y los huecos corren en direcciones opuestas y se anulan mutuamente.

Un pulso láser incide en una nube de gas y arranca electrones de ella, dejando tras de sí una burbuja: una cavidad donde apenas hay partículas. Esa burbuja viaja a través del plasma a una velocidad cercana a la de la luz, y sus paredes arrastran a los electrones que quedaron dentro, como una lancha rápida arrastra a un esquiador acuático.

Si se hace pasar corriente por dos conductores soldados, la unión se calienta o se enfría: es el efecto Peltier, en el que se basan las neveras de los automóviles.

Los electricistas que trabajan con alta tensión se parecen a los buzos: necesitan ver lo que ocurre en las profundidades, pero sin bajar ellos mismos. Para eso hace falta un sensor que se mantenga alejado de la corriente peligrosa y envíe la información a la superficie.

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.

Doblar una hoja de papel es fácil. Pero comprimirla empujando desde el borde es harina de otro costal: el papel se arruga, pero apenas transmite la fuerza más allá. Así funciona la elasticidad ordinaria: la deformación depende de dónde y cómo se presione. La nueva red tridimensional lleva este contraste al extremo.

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 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.

En las enormes nubes de gas enrarecido que llenan el espacio entre las estrellas, algo bulle constantemente. Explosiones de supernovas, flujos que chocan: todo esto agita el plasma. Y en estas ondas, según se ha descubierto, se esconde un mecanismo que da origen a los campos magnéticos.

Desde el Sol hacia la Tierra se precipita el viento solar, pero la magnetosfera desvía el flujo y esculpe con él colas de plasma.

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.

Cuanto más delgada es la película ferroeléctrica, más fuerte es el campo despolarizante: el dictado de la física clásica. Imagine un lápiz que se balancea sobre la punta del dedo: cuanto más corto, más difícil es mantenerlo vertical. Así es como la polarización nanométrica tiende a desaparecer.

Un terrón de azúcar apretado entre los dedos casi seguro se desmorona en lugar de comprimirse de manera uniforme. Un desafío similar enfrentan los creadores de computadoras cuánticas. Necesitan estirar o comprimir ligeramente diminutas placas de silicio, sobre las que luego se colocan los cúbits.

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.

Una banda elástica que se vuelve más gruesa cuanto más la estiras. En electricidad, este comportamiento se llama capacitancia negativa: cuanto más carga se acumula en las placas, menor es el voltaje. Un condensador normal funciona al revés: el voltaje aumenta junto con la carga.

Si calientas un clavo en una fogata, se alarga; eso lo sabe cualquiera. Pero si calientas solo la punta y dejas el otro extremo frío, el clavo no solo se hace más largo: se curva, porque el metal caliente se expande más que el frío. Esa misma curvatura, pero a nivel atómico, es lo que los físicos han convertido en electricidad.

Una gruesa goma elástica se retuerce cada vez más. En algún momento no aguanta: se rompe y azota a los lados, liberando la energía acumulada. Más o menos así se comportan los campos magnéticos dentro de las estrellas de neutrones, los restos superdensos de estrellas que han explotado.

Si comprimes un trozo de metal común, se calienta; esto lo sabe incluso quien ha inflado la rueda de una bicicleta. Pero, ¿qué ocurre si comprimes un imán en el que las agujas atómicas se niegan a quedarse quietas incluso en el cero absoluto?

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.

Dos hojas de papel apiladas, al calentarse, comienzan a deslizarse imperceptiblemente una sobre otra. Algo así ocurre con las capas de disulfuro de molibdeno, un material de un átomo de espesor. A temperatura ambiente, se deslizan espontáneamente a una velocidad de aproximadamente un metro por segundo.

Frotar un peine contra lana produce una chispa. Un principio similar funciona en los nanogeneradores triboeléctricos, dispositivos que convierten el contacto mecánico en electricidad. El problema es que los materiales comunes generan una carga débil.

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.

Una película fina de jabón en la mano se adapta a la forma de la palma, pero si aprietas los dedos, la tensión cambia de manera desigual. Algo similar ocurre con una monocapa de disulfuro de molibdeno sobre un sustrato de grafito.

Un trozo de película de óxido de zinc yace sobre la mesa. Acercan un imán y comienzan a girarlo lentamente alrededor de la película. La película, más delgada que un cabello humano, empieza a cambiar sus dimensiones: ora se contrae, ora se estira. Esta propiedad se llama magnetostricción: la capacidad de un material de deformarse bajo un campo magnético.

En una capa fina de cristal líquido —una sustancia que fluye como un líquido, pero cuyas moléculas están ordenadas como en un sólido— nacen vórtices más pequeños que el grosor de un cabello humano. Estos vórtices se parecen a diminutas peonzas: pueden moverse sin desintegrarse y se comportan casi como partículas reales.

El cristal Fe₃Sn₂ se asemeja a una rejilla con patrón, donde los átomos de hierro se ubican en las esquinas de hexágonos. En condiciones normales, sus flechas magnéticas están alineadas como soldados en formación. Pero basta con comprimir el cristal para que la formación se rompa.

En el cristal de titanato de bario hay un campo eléctrico interno, como el de un imán permanente, pero para cargas. Cuando llega un destello de luz, expulsa electrones que comienzan a agitarse, chocando con los átomos. Pero el cristal no es igual en todas las direcciones: tiene un eje a lo largo del cual el campo es más intenso.

El cristal Co2SeO3Cl2 se asemeja a un pastel en capas, donde cada capa es una red de panal curvada de átomos de cobalto. Al enfriarse hasta 25,4 K (−247,75 °C), los momentos magnéticos de los átomos comienzan a alinearse en esta red, como agujas de brújula, pero no todos a la vez, sino en cuatro etapas: a 25,4, 16,8, 11 y 3 K.

El cristal de fosfato de litio y cobalto se asemeja a un tablero de ajedrez, donde las casillas negras y blancas son regiones con direcciones opuestas de los momentos magnéticos de los iones de cobalto. Estas regiones se denominan dominios antiferromagnéticos y, hasta ahora, no era fácil verlos: los métodos convencionales requerían equipos sofisticados o dañaban la muestra.

Cuando dos materiales diferentes se presionan uno contra el otro y luego se separan, salta una chispa entre ellos. Esto lo conoce cualquiera que se haya quitado un suéter de lana en la oscuridad o haya recibido una descarga de una manija de puerta.

Un trozo de cerámica del tamaño de una uña se comprime en un tornillo de banco y cambia su estructura interna como arcilla bajo los dedos. En el interior del material se alinean hileras ordenadas de diminutas regiones que antes estaban giradas al azar. Tras ese «masaje», el cristal empieza a dejar pasar la luz casi como el vidrio y, además, se electriza con fuerza si se dobla o se presiona.

Una tira de goma común rellena de pequeñas limaduras de hierro no solo se dobla en un campo magnético: se anuda en un nudo estable. Este efecto fue predicho y reproducido en experimentos por físicos que trabajaron con un elastómero magnetoactivo: una base de silicona con partículas de hierro carbonílico.

Un trozo de oro no atrae clips. Pero si tomamos una película delgada de una aleación de gadolinio, oro y germanio y comenzamos a doblarla, pueden aparecer regiones magnéticas. Los científicos lo hicieron no con las manos, sino con un flujo de iones de helio que penetraba en el material a través de una máscara con patrones.

Cuando presionas con el dedo un trozo de plastilina blanda, esta se hunde obedientemente y luego recupera lentamente su forma original. Pero si presionas el vidrio de una ventana, o aguanta o se agrieta: no hay deformación gradual. Ambos materiales son amorfos: sus átomos no están dispuestos en una red cristalina estricta como en un metal.

Una película cristalina más delgada que un cabello humano yace sobre un sustrato rígido, como una alfombra clavada al suelo. El sustrato impide que la película cambie libremente de forma al calentarse: se contrae y se expande de manera rígida, perdiendo sensibilidad. En el nuevo trabajo, la película se separó del sustrato disolviendo la capa intermedia en agua.

Dentro de cada célula hay un armazón de filamentos, como un andamiaje que le da forma y le permite moverse. Estos filamentos están unidos por proteínas de enlace: unas simplemente los mantienen juntos, como cuerdas, y otras funcionan como pequeños motores que se desplazan a lo largo de los filamentos y los acercan entre sí.

Las capas retorcidas de átomos en un material forman un patrón de pequeñas regiones — los dominios — cada uno de los cuales puede estar electrizado en una de dos direcciones, como la aguja de una brújula que apunta al norte o al sur. Antes, estos materiales se estudiaban solo en conjunto, midiendo miles de dominios a la vez, y su comportamiento general era como un coro donde no se distinguen las voces individuales.

Una fina película de óxido de hierro SrFeO3 reposa sobre un sustrato que la estira ligeramente. Dentro de la película, los momentos magnéticos de los átomos se enrollan en espiral, como una escalera de caracol. El estiramiento modificó esa escalera: el paso se acortó y el eje se inclinó. La causa está en el oxígeno.

El metal fundido se parece a una sala abarrotada donde todos esperan la señal para empezar a bailar. La cristalización es ese momento en que el caos se convierte en orden. Pero para que el baile comience, se necesita el primer paso: la aparición de diminutos núcleos de cristalización. Normalmente, para ello hay que enfriar mucho el metal.