imán frustrado

En el taller de la naturaleza hay una máquina extraña: talla la rosca de los tornillos, pero prohíbe la izquierda. Un tornillo se puede enroscar con la fuerza que se quiera, en cualquier sentido horario, pero en sentido antihorario no se puede. Esa máquina no es un invento, sino una regla cuántica precisa que los físicos acaban de construir para materiales magnéticos.

En una cadena montañosa hay senderos que se pueden contraer a un punto si se camina por un valle llano. Y hay rutas circulares que no se pueden encoger sin cruzar una cresta.

El cristal de herbertsmithita, parecido a un pastel de capas de cobre y boro, se comporta como una escalera: los espines de cobre se alinean en dos líneas paralelas unidas por travesaños.

Dos bailarines en un mismo escenario: el triángulo y la franja. En un gas cuántico de átomos de disprosio enfriado a 62 nanokelvins, estas dos estructuras espaciales se encontraron por primera vez en un mismo experimento. El gas se mantiene en una trampa que recuerda a una tabla de surf, y sus átomos están entre los más magnéticos de la tabla periódica.

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.

Un gas superfluido es como una multitud que marcha al unísono: cada átomo sabe hacia dónde moverse y no se desvía del ritmo común. Pero esta multitud tiene tres «valles»: tres direcciones diferentes por las que puede avanzar.

El cristal PbCuTe₂O₆ se asemeja a una telaraña tridimensional de cobre, telurio y oxígeno. En su interior, los momentos magnéticos (pequeñas flechas asociadas a los espines de los electrones) están entrelazados de tal manera que no pueden alinearse en un orden convencional ni siquiera cerca del cero absoluto.

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.

Una cadena cuántica se parece a una guirnalda de luces, donde las bombillas son los espines de las partículas. En el caso ideal, todas las bombillas brillan sincronizadas, siguiendo un ritmo común: eso es la simetría. Pero si cortas un trozo de la guirnalda, el ritmo puede desajustarse: dentro del trozo, la simetría se rompe.

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.

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.

En la imagen heisenbergiana habitual, a bajas temperaturas los espines deben ordenarse en un patrón estricto. Pero hay cristales — por ejemplo, el pirocloro — donde la geometría impone su ley.

El campo magnético mantiene una partícula diminuta en el aire, como un compañero de baile invisible. Un ajuste especial del campo crea una trampa con dos «posiciones». En el mundo ordinario, el bailarín ocupa solo una, pero en el cuántico, ambas a la vez. Los físicos han logrado esto para motas de polvo que pesan billonésimas de gramo.

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.

En un mundo que tiende al caos, a veces nace un ritmo. La reacción química de Beloúsov-Zhabotinski ha fascinado durante décadas: en un tubo de ensayo, ondas de colores se propagan por sí solas, como un organismo vivo que respira materia.

La luz de un blázar lejano (un núcleo activo de galaxia que apunta su chorro hacia nosotros) tarda miles de millones de años en llegarnos. En el camino, genera lluvias de partículas cargadas que el campo magnético intergaláctico desvía hacia los lados.

Un conductor iónico se parece a un autobús abarrotado donde los pasajeros (iones) intentan abrirse paso hacia la salida. Antes se pensaba que se podía salir rápido si el autobús se balanceaba suavemente (red suave) o si los pasajeros estaban en un orden caótico (desorden geométrico). El nuevo trabajo muestra que no son dos trucos distintos, sino el mismo.

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…

Un agujero de gusano es un túnel hipotético en la curvatura del espacio-tiempo que conecta dos regiones distantes del universo y potencialmente acorta el camino entre ellas.

Una orquesta en la que cada músico toca su parte sin escuchar a los demás. De repente, sin una orden visible, los vecinos de atril empiezan a sincronizarse a la perfección, pero aún no hay una melodía común. Algo parecido ocurre en algunos materiales al enfriarse: los electrones pierden energía, como si se prepararan para la superconductividad, pero nunca llegan a ella.

Un diminuto imán flota en una trampa magnética, como una aguja ingrávida. Su eje magnetizado es como la aguja obstinada de una brújula a la que no le permiten girar. Ante él se alza una pared invisible.

El campo magnético aumenta, pero la magnetización se queda congelada en su sitio. Como una balanza a la que añades peso y la aguja no se mueve hasta que se acumula lo suficiente para saltar a la siguiente marca. Así se comportan los cristales de tetraboruros de tierras raras, y los físicos llevaban décadas sin entender por qué.

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 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.

Un puñado de monedas de cobre esparcidas sobre una red triangular se congela en un orden extraño cuando se les hace pasar corriente. Algo similar hacen las diminutas agujas magnéticas — los espines de los electrones — en un cristal con el raro nombre de Y-kapellasita.

El cristal La3Ni2O7 se asemeja a un pastel en capas, donde el relleno de átomos de níquel y oxígeno se alterna con capas de lantano.

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.

En un cristal ordinario, los átomos están alineados en filas perfectas, como soldados en formación. Cualquier desviación de ese orden se considera perjudicial: el desorden dispersa las ondas y apaga rápidamente los movimientos colectivos de las partículas.

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.

Los físicos intentan escuchar un susurro en una habitación ruidosa. Construyen una cabina insonorizada, pero incluso en ella, la propia respiración y los latidos del corazón crean interferencias. Así se buscan los indicios de la gravedad cuántica: quieren ver cómo la fuerza de la gravedad une dos partículas en un todo único, es decir, las enreda.

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.

Según el Modelo Estándar, el vacío no está vacío, sino que es un océano de partículas virtuales fantasmales. Un campo electromagnético superintenso, como una tormenta, arranca pares de electrones y positrones hacia la realidad.

Una red triangular, en cuyos nodos se asientan diminutas agujas magnéticas. Por esta red corren electrones, portadores de corriente. Normalmente, las agujas se alinean de manera simple: todas en una dirección (ferromagnético) o alternándose en el plano.

En un diminuto punto magnético, de menos de una micra, habita un vórtice: la magnetización se arremolina como el agua en un remolino. En el centro de ese remolino está el núcleo, que a su vez gira en una pequeña órbita, como una peonza a la que han dado un impulso.

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.

Los monopolos magnéticos son como mitades de un imán que no pueden existir por separado en un material ordinario. Pero en el hielo de espín aparecen en pares, unidos por un hilo invisible: la cuerda de Dirac.

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.

Los materiales magnéticos a veces se comportan como discutidores que no logran ponerse de acuerdo: unos enlaces entre átomos tiran hacia un lado y otros hacia el opuesto. Cuando hay muchos conflictos de este tipo, el sistema queda "frustrado": no puede encontrar un estado de reposo único.

Una cesta tejida de bambú no es solo un objeto cotidiano, sino un esquema exacto de la disposición de los átomos en el cristal YMn₆Sn₆. Seis átomos de manganeso forman hexágonos que se ensamblan en un patrón que recuerda al kagome japonés. En una red así, los electrones suelen comportarse de manera uniforme, como pasajeros en un vagón de metro abarrotado.