Efecto Hall

Un traductor se distrae con cada susurro en la sala y la reunión de una hora se convierte en dos. Así, más o menos, el desorden en un cristal frena a los electrones: las pequeñas inhomogeneidades los obligan a zigzaguear y la resistencia aumenta. En el semimetal de Dirac PdTe, este efecto se ha podido observar por primera vez en estado puro.

La corriente en un metal ordinario fluye como una multitud por una calle recta: cada electrón va por su cuenta, y si se aplica un campo magnético, toda la multitud se desplaza ligeramente hacia un lado. Ese desplazamiento se llama efecto Hall.

La corriente en un metal ordinario fluye como una multitud por una calle recta: cada electrón va por su cuenta, y si se aplica un campo magnético, toda la multitud se desplaza ligeramente hacia un lado. Ese desplazamiento se llama efecto Hall.

El campo magnético suele actuar como un estricto controlador de tráfico: para que el calor se convierta en electricidad, debe colocarse de través en el camino. Si el campo se alinea con el flujo de calor, el efecto desaparece, o al menos así se creyó durante décadas.

Un vórtice en un material magnético es como un remolino, pero en lugar de agua, lo que gira son las direcciones de la magnetización. Un electrón que atraviesa ese vórtice no siente solo un campo magnético, sino una curvatura del espacio: su camino se dobla como si rodara por un embudo con cuello estrecho.

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 superconductor expulsa el campo magnético como una esponja exprime el agua. Este efecto Meissner se conoce desde hace casi un siglo, pero normalmente se calcula en un mundo plano, sin gravedad. En el campo intenso de un agujero negro o a velocidades enormes, el panorama cambia.

Tomemos dos láminas delgadas de un semiconductor. Una está impregnada de electrones libres, como un café abarrotado donde cada mesa está ocupada. La segunda, por el contrario, está llena de lugares vacíos: 'huecos' que ansían llenarse.

Una neurona que transmite una señal se parece a una pequeña batería que se descarga y recarga rápidamente. Durante casi 70 años se creyó que la fase de recarga dependía de una especie de «válvula de potasio» que se abría con retraso.

La corriente eléctrica ordinaria calienta los cables: cualquiera que haya tocado un cargador de teléfono lo sabe. Pero existe una corriente de otro tipo: en ella los electrones no corren en masa hacia un lado, sino que giran sincronizados, como patinadores en pareja. Ese giro coordinado se llama corriente de espín y casi no produce calor.

La corriente de iones a través de la membrana se parece a una cola frente a un torniquete. A veces el torniquete está libre: los iones pasan rápidamente. A veces se atasca: el flujo cae. Un campo magnético débil, como se ha descubierto, no empuja a los iones por la espalda, sino que simplemente cambia el número de torniquetes abiertos.

Dos galaxias — nuestra Vía Láctea y su compañera, la Gran Nube de Magallanes — giran lentamente una alrededor de la otra. Su atracción gravitacional sacude las lejanas afueras de la Vía Láctea, como una piedra lanzada a un estanque hace ondular el agua.

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.

Una fina película de un cristal especial, como el disulfuro de molibdeno, reposa sobre la platina del microscopio. La temperatura es ligeramente superior a aquella en la que el material se vuelve superconductor.

La cuerda de una guitarra sigue vibrando incluso después de que el músico la suelta, y esa vibración modifica el sonido que escucha el oyente.

Un superconductor normalmente no se lleva bien con un imán: un campo intenso destruye el estado en el que la corriente fluye sin resistencia. Pero en capas delgadas de carbono, todo es diferente.

En un anillo superconductor con forma de arandela, a veces la corriente fluye con más facilidad en una dirección que en la otra. Esta propiedad se llama efecto diodo. Normalmente, su dirección está fijada de manera rígida por la estructura del material.

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.

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

Un agujero de gusano es un túnel que conecta dos regiones distantes del universo. Si tal agujero existiera y fuera transitable, una partícula en su interior sentiría no solo la gravedad, sino también una fuerza debida a su propio campo eléctrico. Esta fuerza depende de cómo se curva el espacio-tiempo alrededor.

Imagina un río en un rápido: la corriente se acelera hasta que ninguna ola puede ir contra la corriente. Así es el gas cerca de un agujero negro: al alcanzar la velocidad del sonido, se encierra a sí mismo — nace un agujero negro acústico, gemelo del abismo gravitacional.

A veces un cristal se comporta como un intérprete que se distrae con cada susurro en la sala, y la reunión de una hora se convierte en dos. En el metal ScV₆Sn₆, los átomos se disponen en un patrón kagome (un tejido de hexágonos y triángulos), y al enfriarse surge en él una onda de densidad de carga: una deformación periódica de la nube electrónica.

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 superconductor es como una autopista perfecta sin semáforos: los electrones se precipitan sin obstáculos. Pero basta con aplicar un voltaje para que el panorama cambie. En un nuevo experimento, los físicos descubrieron que el campo eléctrico penetra en el superconductor y crea en su interior un régimen mixto.

Dos capas delgadas de un semiconductor se giraron una respecto a la otra en 2,29 grados, como dos hojas de papel transparente con rejillas dibujadas. Donde las líneas casi coinciden, aparece un gran patrón de manchas oscuras y claras. Los electrones en este patrón se comportan de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal ordinario.

Un superconductor se parece a una ronda perfecta de electrones: se mueven en parejas sin perder energía, como bailarines que nunca pierden el ritmo. Pero basta con añadir algunas impurezas magnéticas, y en la ronda se cuelan intrusos que perturban el movimiento sincronizado. La temperatura a la que comienza este baile desciende.

La corriente eléctrica en un cable se parece a una multitud apresurándose por un pasillo. Normalmente, cada persona choca con las paredes y pierde velocidad casi al instante — eso es la resistencia eléctrica.

Dos láminas finísimas, parecidas a la mica, yacen una sobre otra. Una se desplaza una fracción de nanómetro — y un modesto semiconductor se convierte en un imán. Así funcionan aproximadamente los materiales que investigaron los autores: compuestos laminares de niobio y tantalio con azufre o selenio.

Si lanzas un puñado de monedas sobre una mesa, caerán al azar. Pero en algunos cristales, los átomos se ordenan en un patrón que recuerda a una cesta tejida: la red kagome. En el metal MgMn₆Sn₆, los átomos de manganeso forman esta red, y a temperatura ambiente actúan como pequeñas agujas magnéticas.

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.

En una cacerola con sopa hirviendo, las corrientes turbulentas llevan el calor hacia las paredes y la sopa se enfría. En un tokamak — una enorme botella magnética para el plasma — ocurre lo mismo: los remolinos de turbulencia arrastran la energía hacia afuera, impidiendo encender la reacción de fusión.

El agua en un río a menudo forma remolinos. Pero en los semiconductores, la base de los microchips, los electrones también se convierten en un fluido a bajas temperaturas y alta pureza. Si se crea una cavidad circular, aparecen vórtices, como en un remanso fluvial.

En un imán diminuto, la información no está escrita en hacia dónde apunta la flecha, sino en cómo se alternan las direcciones de sus átomos. En los antiferromagnetos, estas flechas se compensan entre sí, por lo que desde fuera el material parece no magnético. La escritura está ahí, pero no se puede leer de la manera habitual: el estado es como una nota escrita con tinta invisible.

Un cristal parecido a una pila de panqueques se colocó sobre un sustrato liso de óxido de magnesio. Se obtuvo una película de cientos de átomos de espesor. Cuando se hizo pasar corriente a través de ella y se encendió el imán, la resistencia aumentó casi una cuarta parte: un 22,5% con un campo de 9 teslas.

Un suelo de mosaico formado por muchas baldosas pequeñas, giradas en direcciones distintas. Parecería que cualquier patrón que intente atravesar ese suelo debería desordenarse y desaparecer. Así se piensa normalmente del desorden en los cristales: si los átomos no están alineados en una red perfecta, los efectos cuánticos sutiles deberían destruirse.

Una lámina ordinaria de fósforo negro se parece a un pastel de capas de átomos. Si la iluminas con una lámpara común, no ocurre nada especial: los electrones permanecen quietos, como espectadores en una sala oscura. Pero un destello láser corto, que dura millonésimas de milmillonésima de segundo, sacude esa sala.

Bajo un campo magnético intenso, los electrones confinados en una capa delgada a veces se alinean en un patrón regular, como invitados en una fiesta concurrida que encuentran un lugar donde nadie los empuja. Este orden se denomina cristal, aunque no es hielo ni sal, sino los propios electrones inmóviles en sus posiciones.

En un cristal aislante, el calor normalmente se propaga del extremo caliente al frío. Pero si se activa un campo magnético, parte del flujo de calor se desvía hacia un lado, como el agua que, al deslizarse por una pendiente, se desplaza ligeramente hacia un costado cuando el viento la empuja. Este comportamiento se conoce como efecto Hall térmico.

Dos juegos de columpios que se balancean en direcciones opuestas no inclinan la plataforma. Sin embargo, su movimiento genera remolinos invisibles que empujan una pelota hacia un lado. Así se comportan los alternimanes: las agujas magnéticas de los átomos están completamente equilibradas, pero una simetría oculta curva el flujo de calor.

Si empujas calor a través de un trozo de cuarzo, normalmente va recto, como el agua por una tubería. Pero en cuanto enciendes un campo magnético, el flujo se desvía un poco hacia un lado, como si la tubería de repente tuviera una derivación lateral.