estado magnético

En algunos cristales los electrones no están repartidos uniformemente, sino que se alinean formando un estricto tablero de ajedrez: en una casilla hay más electrones y en la vecina, menos. Ese patrón se denomina orden de carga y durante mucho tiempo se consideró algo estático, como el dibujo del hielo en un cristal.

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.

Dos bailarines en un mismo escenario: el triángulo y la franja. En un gas cuántico de átomos de disprosio enfriado a 62 nanokelvins, estas dos estructuras espaciales se encontraron por primera vez en un mismo experimento. El gas se mantiene en una trampa que recuerda a una tabla de surf, y sus átomos están entre los más magnéticos de la tabla periódica.

Un fino sándwich de dos materiales distintos. Se hace pasar una corriente eléctrica — y la capa superior se magnetiza en una dirección, mientras que la inferior lo hace en la opuesta. No es un truco, sino el efecto Edelstein de capas (del inglés layer Edelstein effect), que acaban de describir los físicos.

Un suelo de parqué donde cada segunda tabla está girada en dirección opuesta parece simétrico. Pero si pasas la mano, en una dirección los dedos se deslizan a favor de la veta y en la otra se enganchan. Más o menos así funciona el nuevo tipo de magnetismo que se ha estudiado en el cristal AgCrP2S6.

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.

Dentro del cristal se despliega un ballet invisible: los momentos magnéticos de los átomos, como bailarines, a veces se alinean al unísono y otras se dispersan en contrafase. La coreografía la dicta el intercambio cuántico: una música sensible a la geometría de los enlaces.

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.

En un mundo que tiende al caos, a veces nace un ritmo. La reacción química de Beloúsov-Zhabotinski ha fascinado durante décadas: en un tubo de ensayo, ondas de colores se propagan por sí solas, como un organismo vivo que respira materia.

Un diminuto cristal de átomos cargados, atrapado en una trampa, tiembla por el calor. Cada ion oscila como una bolita en un resorte, y estas oscilaciones impiden utilizar el cristal para operaciones cuánticas precisas. Normalmente, el exceso de energía se elimina con un láser: el haz golpea los iones y frena su movimiento, como una corriente de aire que amortigua un péndulo.

Un tobogán con tres huecos: el más profundo es la posición estable de la canica, el del medio es inestable. Un pequeño empujón y la canica rueda hacia abajo. Sin embargo, una vibración constante con la intensidad adecuada puede mantenerla en el hueco del medio durante mucho tiempo.

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…

Dos equipos tiran de una cuerda con la misma fuerza en direcciones opuestas: la cuerda no se mueve, la fuerza total es cero. Así se comportan muchos antiferromagnetos: los momentos magnéticos de los átomos están alineados en direcciones opuestas y se cancelan mutuamente.

El campo magnético en un plasma se asemeja a una película de jabón tensada: la presión interior la expande, mientras la tensión superficial la contrae, dándole forma. Aquí ocurre lo mismo: las fuerzas magnéticas de presión y tensión se equilibran mutuamente.

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.

Un diminuto imán, formado por apenas dos moléculas, se posó sobre una superficie metálica y se comportó como un director de orquesta caprichoso. Normalmente, los electrones en un metal se mueven de manera coordinada, como una multitud en una escalera mecánica. Pero con un enfriamiento intenso, ese orden se rompe y el movimiento se vuelve impredecible.

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'.

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.

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 el microcosmos siempre hay ruido. Incluso en el vacío absoluto algo tiembla, y estas fluctuaciones cuánticas interfieren con las mediciones precisas. Pero el ruido se puede «comprimir», como un globo inflable: si lo aprietas por los lados, un lado se adelgaza mientras el otro se hincha.

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.

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 plasma en un reactor de fusión es como un enjambre de luciérnagas que hay que mantener dentro de un frasco invisible. Antes se pensaba que las paredes del frasco debían ser perfectamente lisas, o las luciérnagas encontrarían una rendija y escaparían. El nuevo trabajo demuestra que el frasco se puede pegar a partir de piezas con costuras notables, y el enjambre seguirá dentro.

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.

En un imán común, todos los espines de los electrones (esas diminutas ‘flechas’ magnéticas internas, descubiertas por Pauli) apuntan en la misma dirección. Los altermagnetos, como el MnTe, son más complejos: la orientación de estas flechas se alterna, como las ondas en el agua que se expanden al lanzar una piedra.

Dos muones nacen en la desintegración de un mesón eta y se separan, unidos por el entrelazamiento cuántico. Una experimentadora, Alicia, mide el espín del muón negativo, mientras que otro, Bob, registra la dirección del positrón proveniente de la desintegración del muón positivo. Parecería que el orden de los eventos debería influir en las correlaciones.