resonancia magnética

Sintonizar una radio para captar una estación que cambia de frecuencia al cruzar la frontera entre fases: así puede imaginarse el reto que tenían los investigadores. En el metal YbRh2Si2, los electrones se comportan como partículas "pesadas": su masa efectiva es cientos de veces mayor que la del electrón libre.

Un escultor mira un bloque de mármol y ve en él la figura que debe liberar del exceso. En lugar de añadir arcilla, quita todo lo que no pertenece a la forma. Por un camino similar han ido los autores de un nuevo trabajo sobre resonancia magnética: no han complicado el modelo del tejido añadiendo más y más detalles, sino que, al contrario, han eliminado lo superfluo para revelar la esencia.

En una gran sala, dos diapasones están sobre soportes giratorios. Cada uno está afinado a una nota distinta, pero si los soportes se giran al ángulo adecuado, los diapasones comienzan a sonar al unísono, intercambiando vibraciones a través del aire.

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.

El destello dura una milésima de segundo, pero en ese instante libera tanta energía como la que el Sol emite en un día. Estas señales, las ráfagas rápidas de radio, son captadas por los telescopios desde 2007, y su origen sigue siendo un misterio. Un nuevo trabajo propone una respuesta elegante: todo se debe a un amplificador cósmico.

Los estallidos rápidos de radio — pulsos de radio de milisegundos provenientes de lejanas galaxias — han sido un misterio durante mucho tiempo. Su energía colosal, comprimida en instantes, sugería cataclismos en estrellas de neutrones, posiblemente púlsares o magnetares.

En algunos cristales, los momentos magnéticos de los átomos oscilan coherentemente, como una ola en un estadio. Transporta espín sin corriente de cargas, sin calentar el material. Este flujo recuerda a un río invisible, silencioso y frío.

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…

En la orquesta de los átomos, cada instrumento tiene su propia partitura. Pero a veces dos músicos empiezan a tocar al unísono, y el sonido se amplifica muchas veces. En el mundo cuántico, esta 'armonía' se llama resonancia de Feshbach. Permite controlar las interacciones atómicas con una precisión de joyero.

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.

Un faro lejano brilla por un instante más que una galaxia entera. Esto es una ráfaga rápida de radio: una señal misteriosa que llega desde las profundidades del cosmos. Algunas de ellas se repiten, y los astrónomos han notado una rareza: en tales ráfagas, la polarización (la característica que indica cómo la onda de radio está retorcida en el espacio) cambia rápidamente.

Un patinador gira sobre el hielo acercándose poco a poco al centro. Su trayectoria no es una espiral perfecta: a veces entra en el ritmo de la música y da una vuelta extra, cambiando ligeramente la velocidad. Algo parecido hace un agujero negro pequeño cuando cae hacia uno supermasivo.

Un electrón en un campo magnético es como una diminuta peonza que gira y emite un débil 'chirrido' a su frecuencia. Escuchar ese chirrido directamente es casi imposible: se pierde en el ruido. Los científicos han ideado un resonador: una tira superconductora de microondas que funciona como un diapasón afinado a la misma nota.

El núcleo atómico no es solo una bolita de protones y neutrones. En su interior, como en un diminuto imán, hay una distribución propia de magnetización. Hasta ahora era difícil de observar: los núcleos viven fracciones de segundo insignificantes y su campo magnético es débil.

El cristal CeB6 es como una caja con un secreto: en su interior, los electrones pueden ocupar cuatro posiciones casi idénticas, como cuatro sillas alrededor de una mesa. Mientras nadie mira, el electrón parece estar sentado en las cuatro a la vez. Este estado oculto se denomina cuadrupolar en física, y afecta a las propiedades magnéticas, pero es difícil de observar directamente.

Una gota de agua sobre la mesa parece tranquila, pero en su interior bulle una vida cuántica. Los protones de los átomos de hidrógeno son como pequeñas peonzas que giran sin cesar. Cada uno tiene su propia dirección de giro. En un campo magnético, estas peonzas se alinean, y si el campo comienza a oscilar, empiezan a 'bailar'.

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.

En un trozo de óxido de manganeso de unos pocos átomos de espesor, los electrones se comportan como una multitud en una escalera mecánica: cada uno se mueve según sus propias reglas, pero juntos crean un flujo común. Los físicos dirigieron rayos X blandos sobre esa película y expulsaron electrones hacia afuera.

Las ondas magnéticas en un gas ultrafrío se comportan como cuerdas elásticas. Dos o tres de estas cuerdas pueden trenzarse formando un nudo que respira: se contrae y se expande, pero no se deshace. Los científicos han logrado por primera vez crear estos nudos en el laboratorio y han comprobado que su respiración coincide exactamente con los cálculos.

En los sólidos, los átomos vibran transmitiendo el sonido. A veces, esta onda no viaja en línea recta, sino que se enrolla en espiral, como un sacacorchos entrando en un corcho. En cristales comunes, estos 'vórtices sonoros' se conocen, pero en materiales magnéticos no se habían podido observar durante mucho tiempo.

Un diapasón emite un sonido sordo ante una grieta. Un principio similar se aplica en el experimento: los físicos convirtieron moléculas en un diapasón ultrasensible para escuchar la asimetría del electrón.

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.