frustración magnética

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.

Los patrones muaré son familiares para todos. Dos peines con distinto paso, superpuestos, muestran franjas oscuras. Algo similar surgió en el tiempo. Los físicos tomaron una nube de átomos de Rydberg —partículas con órbitas electrónicas excepcionalmente grandes— y la iluminaron con dos láseres.

En el mundo de los materiales bidimensionales a veces nacen estados tan inusuales como frágiles. Uno de ellos — el cristal anómalo fraccionario de Hall (FAHC) — es como un centauro cuántico: mitad red ordenada, mitad líquido topológico.

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.

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.

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.

Los científicos hicieron que las ondas electromagnéticas se perdieran para siempre en un laberinto tridimensional de partículas metálicas. Antes esto solo se lograba con el sonido o los electrones. La entropía —medida del caos— actuó aquí como un callejón sin salida: las ondas se superponían y se anulaban mutuamente, perdiendo dirección.

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…

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 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.

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.

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.

El vacío puede generar partículas si se aplica un campo suficientemente intenso. Los físicos llaman a esto la paradoja de Dirac–Klein. Antes, para explicarlo se requerían cálculos muy complejos de la teoría cuántica de campos. Pero se puede recurrir a una imagen intuitiva: una banda elástica muy tensada con un nudo. El nudo es la partícula.

Un cristal sin centro de simetría es como una habitación donde una pared es espejo y la otra es mate: el reflejo no coincide con el original. Estos materiales suelen comportarse de manera extraña porque los electrones perciben la distorsión de la red.

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.

Un imán plano es como una lámina delgada por la que corren ondas de magnetización. En condiciones normales, estas ondas se atenúan rápidamente, pero si se aplica un campo magnético intenso, aparece en el material una señal inesperada: nítida y estrecha, como la sombra de la onda principal.

Los átomos magnéticos en un sólido se parecen a las agujas de una brújula: normalmente, al enfriarse, se alinean en una misma dirección, y así surge el magnetismo. Pero en el material TbInO3, las agujas de terbio se asientan en una red triangular donde es imposible complacer a todos los vecinos a la vez.

Dentro de un imán hay regiones donde todos los miniimanes atómicos apuntan en la misma dirección. Entre esas regiones hay una estrecha zona de transición donde la dirección de la magnetización gira suavemente. Esa zona se denomina pared de dominio. Antes se la consideraba sin masa: la empujabas y se detenía al instante.

Un cristal del tamaño de media caja de cerillas se cultivó en un horno donde una zona fundida se deslizaba lentamente a lo largo de una varilla, dejando capas perfectamente ordenadas. Dentro de este cristal, los iones de cobre se asientan en los nodos de una red triangular, pero los triángulos están ligeramente torcidos, como si alguien hubiera presionado una esquina.

El gato de Schrödinger puede estar, según las leyes cuánticas, vivo y muerto a la vez. Pero con una mesa ese truco no funciona. Cuando un objeto masivo intenta estar en dos lugares, su masa curva tanto el espacio que en lugar de dos puntos aparece una profunda hondonada, y el objeto rueda hacia ella.

Las baldosas comunes forman un patrón repetitivo. Pero los átomos pueden hacer más: en ciertas condiciones, ellos mismos crean un mosaico complejo donde el diseño nunca se repite, como en los paneles de azulejos antiguos.

Si metes un trozo de metal común en un campo magnético fuerte, se calienta ligeramente. Pero algunos materiales hacen lo contrario: se enfrían. Esto se llama efecto magnetocalórico, y ya se están construyendo refrigeradores del futuro sin freón.

Los imanes en este cristal se comportan como invitados en una fiesta donde todos quieren sentarse en la misma silla. Nadie logra acomodarse del todo, y de ese caos nace un estado especial. En él, el momento de espín (lo que convierte a cada electrón en un pequeño imán) logra recorrer 480 micrómetros.

Los átomos en un cristal normalmente ocupan sus lugares, como pasajeros en un avión con sus billetes asignados. Pero en este material, el cobre y el tantalio ocuparon sus lugares al azar, como si los billetes se hubieran mezclado. Los científicos examinaron el cristal con rayos X y vieron que el desorden no está solo sobre el papel, sino en la propia disposición de los átomos.

El cristal EuAuBi se asemeja a un pastel en capas de átomos de europio, oro y bismuto. Al enfriarse casi hasta el cero absoluto, en él aparecen sucesivamente tres patrones magnéticos diferentes, como si el dibujo de un caleidoscopio cambiara con un leve giro.

Los electrones en un conductor normalmente se comportan como un gas: se mueven caóticamente, chocan entre sí y no mantienen ningún orden. Pero si se los separa lo suficiente y se enfrían mucho, la repulsión mutua puede hacer que se coloquen en sus puestos, como los asistentes a un teatro lleno que se sientan dejando un asiento vacío entre ellos.

Las diminutas agujas magnéticas dentro del cristal de óxido de terbio e iridio se comportan de manera extraña: en lugar de alinearse a lo largo de su eje favorito, se colocan transversalmente. Este estado se forma por completo al enfriar hasta 1,5 kelvin, una temperatura más fría que la del espacio exterior.

Un nuevo material magnético está estructurado como una pila de tortitas: en cada capa todas las «flechas» atómicas apuntan en la misma dirección, pero la capa vecina está magnetizada en la dirección opuesta. El patrón de triángulos —la red kagome— está distorsionado porque algunos átomos se sustituyeron por pesas de germanio.

El diseleniuro de niobio es un material laminar que conduce corriente sin resistencia a bajas temperaturas. Si entre sus capas se entretejen átomos de níquel, como hilos adicionales en un tejido, la superconductividad desaparece.