skyrmiones magnéticos

En una sala donde bailaban parejas empezó a sonar otra música, y las parejas que estaban alineadas en filas se pusieron de pronto a girar como remolinos. Así reorganiza el cristal magnético Fe3Ge su patrón interno cuando la temperatura sube por encima de 375 kelvin, es decir, unos cien grados de calor.

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.

El armazón magnético del cristal EuMnSb2 recuerda a un andamiaje: los átomos de manganeso forman postes verticales rígidos, y los de europio, travesaños móviles. Hasta ahora no había consenso sobre el ángulo de inclinación de estos travesaños en reposo ni sobre cómo giran cuando el campo magnético presiona sobre el andamio.

Un vórtice magnético se parece a un pequeño remolino en el mar, solo que en lugar de agua gira la magnetización. Estos vórtices podrían convertirse en celdas de memoria en las computadoras del futuro, pero para escribir y leer información hay que poder mover cada vórtice por separado. Hasta ahora se hace de forma burda: se desplaza todo el conjunto de una vez.

Un trozo de metal de menos de un milímetro, al enfriarse a menos 256 grados Celsius, se comporta como un caleidoscopio: en una esquina las agujas magnéticas se alinean en filas ordenadas, y en la vecina se retuercen como un tornillo. Esto se logró ver dirigiendo un estrecho haz de rayos X sobre la muestra y barriéndolo lentamente por la superficie, como una linterna sobre una pared oscura.

Una autopista donde los flujos opuestos no solo están separados por lados distintos, sino por dos carreteras independientes, cada una con su propia entrada y salida. Algo parecido ocurre con los electrones en un nuevo tipo de aislante topológico descrito por los autores del trabajo.

Dos láminas transparentes con círculos dibujados. Si se superponen exactamente, los círculos coinciden. Pero basta con girar ligeramente una lámina para que aparezca un nuevo patrón: en unos sitios los círculos se agrupan, en otros se separan. Así funciona más o menos el efecto muaré: un dibujo inesperado que surge al girar dos estructuras periódicas.

Una linterna común emite luz cuyas ondas oscilan en todas las direcciones a la vez. Pero si se hace pasar la luz por un filtro especial, se obtiene un haz que oscila estrictamente en un solo plano: eso es la luz polarizada. Cuando este haz atraviesa un tejido biológico, la estructura interna de este modifica ligeramente la orientación de las oscilaciones.

Las cadenas cuánticas de espín recuerdan a una fila de personas que se pasan un apretón de manos secreto: cada uno se gira hacia el vecino, y la forma en que la onda recorre toda la cadena depende de cuán fuerte se estrechan las palmas.

Algunos materiales están estructurados internamente como una cinta de Möbius: sus estados electrónicos están retorcidos de una manera especial. Estas propiedades topológicas suelen intentar modificarse con un campo magnético potente, como si se intentara alisar la cinta con un mazo. Un grupo de investigadores ha encontrado una herramienta más sutil.

Los vórtices magnéticos de decenas de nanómetros son como pequeños tornados congelados en el metal. Se llaman skyrmiones y se comportan de forma sorprendentemente estable: son difíciles de destruir, pero fáciles de mover. Por eso los ingenieros los ven como las "celdas" ideales para la memoria del futuro: rápida, eficiente y resistente a fallos.

Una partícula cuántica, al recorrer un anillo cerrado, deja dos «registros» diferentes en su camino. El primero es como una huella dactilar en la manija de una puerta: permanece inalterada por más que gires la manija, y solo habla de la forma y el material.

Dos partículas cuánticas están unidas por un hilo invisible: una pierde energía, la otra la gana, pero la reserva total no cambia. Si solo seguimos a la primera, sus oscilaciones no se amortiguan: el ritmo es constante, como el de un púlsar cósmico, aunque desde fuera parezca que crece la entropía, el caos.

Un peine pasado por el cabello atrae trocitos de papel. Este sencillo truco de física se ha decidido aplicar a nivel microscópico para controlar los vórtices magnéticos llamados skyrmiones.

Un vórtice magnético, o skyrmión, se parece a un pequeño remolino en el mar de los espines, los momentos magnéticos intrínsecos de los átomos. Como un embudo en un río, enrolla la magnetización a su alrededor, y este patrón resulta muy estable: es difícil destruirlo con una sacudida aleatoria.

El conductor gira el volante para que el coche doble. En el mundo cuántico también hay "volantes": parámetros externos que se cambian suavemente para trasladar partículas de un lugar a otro.

El gas que cae hacia un agujero negro gira en espiral, como el agua en un remolino. En esa corriente, constantemente se crean y se rompen lazos magnéticos, similares a las erupciones solares, pero mucho más potentes. Cada lazo es un pequeño imán que vive su propia vida. Cuando hay muchos, empiezan a influirse mutuamente: sus polos norte y sur se atraen y se repelen.

La llama de una vela tiembla con la corriente de aire, pero no se apaga: la lengüeta solo cambia de forma por un instante y vuelve. Más o menos así se comportan los skyrmiones ópticos — diminutos vórtices en el campo del haz, que recuerdan a remolinos de agua. Hasta hace poco, solo se obtenían en luz láser ideal y uniforme.

En el cristal de Rb1-xV2Te2O, los espines de los átomos de vanadio se ordenan en un patrón de tablero de ajedrez: cada espín está rodeado por espines opuestos. Este patrón se denomina antiferromagnetismo de tipo G.

En una trampa de campos, los científicos ensamblaron un cristal — 150 iones a temperatura ultrabaja. Cada ion se comporta como un diminuto imán, capaz de girar en cualquier dirección. Controlando fuerzas que dependen de este espín, los físicos hicieron que todos los pequeños imanes se arremolinaran en un remolino común, llamado skyrmion.

El cristal de iridato de perovskita SrIrO₃ se asemeja a una fila de soldados, donde cada iridio porta un momento magnético. Cuando parte de los 'soldados' de iridio se reemplazan por estaño, que no posee momento magnético, la fila se vuelve más dispersa.

En una capa fina de cristal líquido —una sustancia que fluye como un líquido, pero cuyas moléculas están ordenadas como en un sólido— nacen vórtices más pequeños que el grosor de un cabello humano. Estos vórtices se parecen a diminutas peonzas: pueden moverse sin desintegrarse y se comportan casi como partículas reales.

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.

Dos capas de material magnético, giradas entre sí fracciones de grado, como dos rejillas ligeramente desplazadas en una ventana. En estado normal no producen nada especial, pero con un cierto ángulo de giro surge en el material un efecto inesperado.

El electrón no es solo una bolita; además, gira alrededor de su propio eje, como una peonza. En condiciones normales, estas peonzas apuntan en direcciones distintas y se desordenan rápidamente.

Los altermagnetos recuerdan a un salón de baile donde las parejas giran en direcciones opuestas: el salón está inmóvil, pero en su interior bulle un movimiento ordenado. Así, los espines electrónicos (la orientación de su rotación) en estos materiales forman patrones complejos sin crear un magnetismo global.

La tapa que chasquea de un tarro de mermelada es la heroína de esta historia. La presionas y, con un chasquido sonoro, salta de la posición convexa a la cóncava. Exactamente así se comporta la viga articulada dentro de cada celda de la nueva rejilla mecánica. Los científicos han montado con estas vigas que chasquean una malla hexagonal, como un panal, pero de placas elásticas.

Un haz de luz incide sobre una placa metálica con estructura cuadrada y en su superficie aparece un patrón de diminutos vórtices magnéticos, como ondas en el agua, pero congeladas y ordenadas. Estos vórtices se llaman skyrmiones y se comportan como peonzas que pueden girar en direcciones opuestas.

Dos diminutos vórtices magnéticos, llamados skyrmiones, navegan sobre una película delgada. Cuando se acercan, entre ellos no surge una simple atracción o repulsión, sino una alternancia de ambas: como si dos corchos en el agua se acercaran y se alejaran obedeciendo a una ola invisible.

Dentro de un trozo de material magnético, los espines de los electrones —pequeñas agujas magnéticas— suelen alinearse en patrones simples. A veces se enrollan en vórtices, como el agua en un remolino, y estos vórtices pueden anudarse.

Una brújula magnética en un tubo de ensayo suena a truco de magia, pero es física pura. En una solución de fumarato (una sal del ácido málico), los núcleos de carbono-13 se comportan como pequeñas peonzas.

Una gota de tinta cae en un vaso de agua y, en lugar de una mancha uniforme, nace un anillo que comienza a girar. Así es más o menos el nacimiento de un skyrmión: la luz emitida por una fuente diminuta se enrolla en un vórtice estable. Hasta ahora, estos vórtices solo se obtenían con láseres grandes.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta donde las cuerdas y los vientos tocan en idiomas diferentes. Los superconductores procesadores operan con fotones de microondas en circuitos de centímetros, mientras que los cúbits de espín —por ejemplo, los centros…