magnetometría de alta precisión

Imaginen una orquesta en la que violines y trompetas tocan partituras distintas, pero juntos producen un sonido potente. En el cristal del imán laminar Fe5GeTe2 dopado con níquel, el papel de esos instrumentos lo asumen unas regiones diminutas de otra fase: los nanoprecipitados de Fe6GeTe2.

La luz arranca electrones del cristal y estos vuelan hacia el detector como flechas hacia un blanco. Con sus trayectorias, los físicos reconstruyen cómo vivían los electrones dentro del material: con qué energía y en qué dirección se movían. Pero basta con encender un campo magnético para que las trayectorias se curven.

En el sótano del laboratorio zumba un imán de 8 teslas. Dentro, como una campana en un campanario, cuelga un cilindro hueco de cobre afinado a una única nota. Si un axión, partícula de materia oscura, pasara cerca, el cilindro respondería con un débil tañido.

Una habitación insonorizada donde se afina un diapasón: el más mínimo susurro desajusta la afinación. En el mundo de las mediciones atómicas de alta precisión, ese susurro es el campo magnético.

Un diminuto agujero negro atraviesa una nube de hidrógeno y estira los átomos como si fueran caramelo. Así se ve un superconductor cuando alberga una corriente persistente: el material en el que la electricidad fluye sin pérdidas se convierte en un imán permanente en miniatura.

Una cuerda tensa suena más agudo si se estira con más fuerza. De manera similar se comporta la magnetización en un antiferromagneto: cuanto más intenso es el campo externo, más rápido oscila. Pero en el cristal de óxido de cromo algo no salió como se esperaba.

En una fina película de cobalto y hierro depositada sobre un sustrato de silicio, se enrolla un diminuto vórtice magnético. No se dispersa, sino que se mantiene en su lugar, como una gota de aceite en una sartén caliente.

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 imán que pesa unas pocas partículas de arena flota en el aire sin ningún soporte. No toca las paredes, no roza con cojinetes: simplemente cuelga en una trampa magnética, como una mota de polvo en un rayo de sol.

Un receptor de radio del tamaño de la palma de la mano puede medir la potencia de la señal con más precisión que los costosos bancos de laboratorio. En su interior no hay bobinas ni antenas, solo una cabeza de vidrio y una nube de átomos de rubidio enfriados casi hasta el cero absoluto.

En las profundidades de la Tierra, el hierro está al rojo blanco y la presión es tal que un instrumento común quedaría aplastado. Para asomarse a ese mundo, los físicos crearon un microscopio especial basado en diminutos defectos del diamante (los llamados centros NV).

En la oscuridad total de una cámara de vacío flota un diminuto imán. No toca las paredes y apenas pierde energía: un guardián perfecto, listo para captar el más leve empujón. Ese guardián es justo lo que se necesita para cazar axiones. Estas partículas son las principales sospechosas del caso de la masa oculta del universo, a la que llamamos materia oscura.

Los sensores magnéticos convencionales pierden sensibilidad al reducir su tamaño. Pero los científicos convirtieron un diminuto diamante en una brújula luminosa. A diferencia de los diamantes de joyería, aquí no se valora la pureza, sino los defectos creados artificialmente: son ellos los que transforman el cristal en una brújula.

En una pequeña placa de Petri hay una gota de líquido del tamaño de la cabeza de un alfiler. Un tomógrafo convencional ni siquiera la percibiría: la señal es demasiado débil. Pero si acercamos a la gota un diminuto sensor de campo magnético, la imagen cambia.

El espectro de una sustancia es su huella dactilar. Normalmente, para obtenerlo, se coloca la muestra en un campo magnético intenso, como en un tomógrafo. Pero hay una manera de prescindir por completo del imán: registrar la señal de los núcleos atómicos a campo cero.

Los sensores magnéticos más pequeños que una cabeza de cerilla ya pueden detectar campos débiles, como los del corazón o de un planeta lejano. Pero para hacerlos aún más sensibles, hay que llegar a un compromiso: si aumentas una pieza, pierdes en otra.

El bosón de Higgs es como un director de orquesta que otorga masa a todas las demás partículas. Sin él, los electrones no tendrían masa y los átomos se desintegrarían. Pero, ¿cómo interactúa el director consigo mismo? Esta es la pregunta clave que deberá responder el futuro colisionador de muones.

El campo magnético de la Tierra, que hace girar la aguja de una brújula, es fuerte. El nuevo sensor detecta campos cien mil veces más débiles, y para ello no necesita ni helio líquido ni instalaciones voluminosas. Todo cabe en una placa de circuito impreso, igual que la que hay dentro de un teléfono inteligente.

Ocho gigantes rojas —estrellas viejas e hinchadas, como será nuestro Sol en el futuro— se comportan de manera desconcertante. Su superficie oscila con regularidad, como una campana, pero en ese tañido se perciben fallos: algunos tonos desaparecen y el ritmo se rompe.

Cada segundo, en nuestros cuerpos ocurren miles de millones de desintegraciones, pero nadie lo nota. Sin embargo, los físicos sí lo notan: hacen chocar partículas en aceleradores y observan en qué fragmentos se dispersan. En esos fragmentos se esconde la respuesta a por qué existimos.

Un imán, como la aguja de una brújula, prefiere apuntar en una dirección determinada. Pero, ¿y si el material es laminado, como una pila de panqueques? Los científicos tomaron un imán de este tipo, hecho de un compuesto de cromo, germanio y telurio, y decidieron averiguar cuánto se "resiste" al intentar girar su magnetización.

Las ondas de radio que oscilan menos de una vez por segundo atraviesan la tierra y el agua casi sin pérdidas. Estas señales se usan para comunicarse con submarinos y para buscar minerales. Pero una antena convencional para ellas necesitaría cientos de metros de largo, y su sensibilidad deja mucho que desear.

Una enana blanca es lo que queda de una estrella como el Sol después de que expulsa sus capas exteriores. Queda un núcleo caliente del tamaño de la Tierra, pero con una masa cercana a la solar. Una cucharadita de esa materia pesaría como un camión. Algunas de estas estrellas poseen campos magnéticos muy intensos, mil millones de veces más potentes que el terrestre.

El campo magnético es invisible, pero se puede escuchar. Los átomos de rubidio dentro de una celda de vidrio reaccionan a él como las cuerdas de un violín al arco: las ondas de radio los hacen oscilar entre estados de energía.

En los laboratorios donde los átomos se enfrían casi hasta el cero absoluto, cualquier cambio diminuto del campo magnético desajusta todos los parámetros.

El campo magnético se parece a la sombra de un objeto: cambia con la forma de la fuente. Pero si se coloca una lente en el camino de la luz, se puede modificar la sombra. Así ocurre aquí: los autores han ideado una 'lente' para el campo magnético: un conjunto de materiales comunes con diferente permeabilidad magnética (capacidad de dejar pasar el campo).

En los laboratorios subterráneos donde se busca materia oscura o doble desintegración sin neutrinos, los detectores están rodeados de silencio. Pero incluso en ese silencio, el polvo radiactivo se posa imperceptiblemente en sus paredes. Una de las fuentes es el radón, un gas invisible que se filtra desde las rocas.

Un diminuto defecto en el cristal de un diamante funciona como una antena sensible. Si un campo magnético oscila cerca, este defecto —una vacancia de nitrógeno— responde con un destello de luz. Antes, para escuchar la señal, había que acumular muchas mediciones repetidas, como quien escucha un susurro pegando el oído a la puerta.

Cuando en la superficie de una estrella de neutrones —el remanente superdenso de una estrella muerta— se acumula materia, ocurre una explosión similar a una bomba termonuclear gigante. En ese infierno, en segundos, nacen núcleos de elementos que no existen en la Tierra. Para saber cuáles, es necesario conocer sus masas con enorme precisión.

El bosón de Higgs vive increíblemente poco: menos de una milmillonésima de segundo. No se puede capturar directamente, por lo que los físicos observan lo que queda tras su desintegración: chorros de partículas, muones, neutrinos. Pero parte de la información se pierde si solo se consideran las huellas explícitas de la desintegración y no todo el evento en su conjunto.

A veces, en un diamante aparece un defecto: en lugar de dos átomos de carbono vecinos, hay un átomo de nitrógeno y un hueco. Este defecto es como una antena diminuta que responde al campo magnético.

El campo magnético es invisible, pero se puede hacer que «brille» con la ayuda de diminutos defectos en el diamante: los centros de nitrógeno-vacancia. Cada uno de estos defectos funciona como una brújula en miniatura que indica hacia dónde está orientado el campo.

Un diapasón suena en una sola nota, pero junto a él siempre se escuchan armónicos suaves: frecuencias múltiples que se mezclan con el sonido fundamental.

Un diminuto defecto en el diamante es como un oído microscópico, capaz de captar la «respiración» magnética del corazón. Estos sensores funcionan a temperatura ambiente y no superan el tamaño de un grano de arena.

En un campo hay un tanque de agua que normalmente capta partículas del espacio. Ahora vigila cuánta humedad hay en la tierra bajo sus pies. El agua del tanque sirve como trampa para neutrones: partículas diminutas que salen del suelo cuando los rayos cósmicos lo golpean. Cuanto más seco está el suelo, más neutrones escapan y más a menudo los registra el tanque.

Una diminuta escama de cristal reposa sobre un sustrato como una hoja otoñal en la palma de la mano. Su grosor es menor que un cabello humano, y en su interior bullen efectos cuánticos: superconductividad, orden magnético, líquido de espín cuántico.

La resonancia magnética es como un diapasón que solo suena en su nota. Cada molécula tiene su propia frecuencia, y gracias a ella se puede saber qué molécula es y en qué estado se encuentra. Pero antes, ese diapasón se escuchaba a través de una pared gruesa: la señal salía borrosa y no se podía distinguir la nota exacta.

Dos estrellas giran tan cerca que sus capas externas se funden en una envoltura común. La materia fluye de una a otra, como agua de una taza rebosante a la vecina. En esta danza cósmica, donde las estrellas literalmente se tocan, los astrónomos han detectado campos magnéticos por primera vez de forma masiva.

En una celda de yunques de diamante, la presión comprime la materia como si estuviera enterrada a cientos de kilómetros de profundidad en la Tierra.

El campo magnético es invisible, pero se puede hacer que 'brille'. Para ello se toma un diminuto diamante con defectos: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por nitrógeno y, junto a él, falta un nodo de la red.