sensor de campo magnético

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.

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.

Durante tres días seguidos, un láser golpeó un chorro de gas y, cada segundo, se generaba un haz de electrones con una energía comparable a la de un pequeño rayo. Antes, estos haces solo se obtenían en enormes salas donde el acelerador ocupaba un edificio entero. Ahora, todo el sistema cabe en una habitación y funcionó sin fallos durante 72 horas.

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.

El campo magnético en este dispositivo debe ser tan uniforme como un vidrio: cualquier ondulación mínima borraría la señal. Los ingenieros ensamblaron dos bobinas que se compensan mutuamente el campo en el exterior y las envolvieron en tres capas de placas ferromagnéticas.

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.

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.

Un láser es como un diapasón que suena en una sola nota. Pero incluso en el silencio absoluto, su sonido tiembla un poco. Antes se creía que ese temblor —los empujones aleatorios debidos a la emisión espontánea de luz por los átomos dentro del láser— era el límite principal de precisión.

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).

Cuando un edificio se derrumba, el acero de refuerzo se convierte en una brújula magnética caótica. La entropía —una medida del desorden— aumenta, pero precisamente ese desorden señala los huecos donde puede haber personas.

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.

Un diminuto defecto en un cristal de nitruro de boro se comporta como una lamparita indicadora. Al iluminarlo, brilla y el tono de esa luz depende de la temperatura: cuanto más calor, más rojo. Al mismo tiempo, si se irradia el defecto con microondas, su brillo comienza a parpadear al ritmo del campo magnético externo.

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.

Una linterna ilumina a través de la piel y el hueso para activar suavemente las neuronas en el punto exacto del cerebro. Así funciona la estimulación magnética transcraneal: una bobina sobre la cabeza genera breves pulsos magnéticos que disparan señales eléctricas en las células. Pero si inclinas o alejas la linterna, la luz se desvía.

En el silencio del laboratorio, sobre una rejilla magnética, flota un pétalo de grafito. Esto no es solo una demostración de la magia del diamagnetismo, es una escucha del Universo. Como una araña que extiende su red para captar vibraciones del mundo invisible, esta lámina se ha convertido en una telaraña gravitacional.

Un imán del tamaño de un grano de arroz flota en el vacío sin tocar las paredes. Lo sostiene el campo magnético de una trampa superconductora: un anillo enfriado a un estado en el que la corriente fluye sin resistencia.

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 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.

Los biólogos suelen marcar las células con moléculas luminosas, como buscar una lucecita tenue en el humo. La luz se apaga rápido y el humo genera interferencias.

El magnetómetro cuántico basado en núcleos de hidrógeno funciona como auriculares con cancelación activa de ruido. Escucha el campo alternativamente de dos formas distintas: el ruido es igual en ambas, pero la señal útil es diferente. Al restar una de la otra, el dispositivo aísla la señal, reduciendo las interferencias más de 1000 veces.

En un acelerador de partículas, los núcleos se rompen en fragmentos, como una taza de porcelana al caer. Cada fragmento atraviesa láminas de silicio, que registran el impacto y su intensidad.

En el fondo del océano yacen miles de kilómetros de cables de fibra óptica. Por ellos circula internet, pero los propios cables perciben las mínimas vibraciones del agua y del lecho marino. Si uno presta atención a un cable así, puede oír cómo canta la ballena azul o cómo tiembla la tierra a miles de kilómetros.

Un transistor de potencia de carburo de silicio opera bajo voltajes miles de veces superiores a los de un enchufe doméstico. Si el campo se distribuye de manera desigual en su interior, el dispositivo se quema. Antes no se podía ver ese campo: es demasiado intenso para los sensores convencionales, y el dispositivo debe permanecer bajo tensión.

Las ondas de radio nos rodean, pero el ojo no las ve. Un nuevo sensor del tamaño de una uña las convierte en una mancha de color en una pequeña pantalla. Dentro del chip hay una capa de cristales líquidos, los mismos que se usan en las pantallas de los teléfonos. Entre ellos se entretejen finos hilos ferromagnéticos. Cuando llega una onda de radio, los hilos se calientan rápidamente.

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.

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

Una aguja diminuta se desliza sobre la superficie como un dedo sobre una página escrita en braille. Así funciona el microscopio de efecto túnel: palpa el relieve de los átomos y convierte las irregularidades en una imagen. Pero cuando se necesita añadir un campo magnético, el diseño choca con una pared.

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.

Una paloma vuela a casa desde cientos de kilómetros de distancia. Dentro de su cabeza, en el oído interno, se agita un líquido, como agua en una botella que sacudes. Cuando el ave se mueve, el líquido también se mueve, y eso le ayuda a mantener el equilibrio.

Ya el propio Einstein predijo las ondas gravitacionales: el temblor mismo del tejido del espacio-tiempo. Hoy las captan gigantescas instalaciones como LIGO, creadas gracias a Rainer Weiss y Kip Thorne.

Una esfera magnética flota en el vacío sobre una placa metálica fría. Sin hilos ni soportes: solo el campo invisible del superconductor evita que caiga. Si se empuja ligeramente la esfera, comienza a oscilar hacia arriba y hacia abajo, y la frecuencia de esas oscilaciones depende de cuán fuertemente la atrae la placa. Así funciona el nuevo sensor de fuerza.

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.

Captar un susurro en medio de una estación de tren ruidosa: esa es, más o menos, la tarea de los físicos que buscan el momento dipolar eléctrico del neutrón. Se trata de un diminuto desplazamiento de la carga dentro de la partícula.

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.

El campo magnético que se quiere medir se parece a una melodía interpretada en una sala ruidosa. El sensor cuántico es un micrófono capaz de captar las notas más tenues, pero también oye lo que no es música: susurros, chirridos, la respiración de los vecinos. Todo eso se mezcla con la señal y arruina la grabación.

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 la década de 1930, Fritz Zwicky, al observar el cúmulo de Coma, notó velocidades anómalamente altas en las galaxias: su movimiento indicaba la presencia de una enorme masa oculta que mantenía unido gravitacionalmente al sistema.

Estamos acostumbrados: el tiempo solo fluye hacia adelante. Pero las leyes cuánticas permiten que se convierta en una moneda que muestra cara y cruz a la vez. Toma una partícula con rotación intrínseca —su espín—. En un campo magnético, gira como un trompo.