transición magnética

Imaginen una orquesta en la que violines y trompetas tocan partituras distintas, pero juntos producen un sonido potente. En el cristal del imán laminar Fe5GeTe2 dopado con níquel, el papel de esos instrumentos lo asumen unas regiones diminutas de otra fase: los nanoprecipitados de Fe6GeTe2.

Una orquesta congelada en la que los músicos cambian de asiento cuando el director, el magnetismo, marca una nueva partitura. En el cristal de espinela, los átomos de hierro y magnesio se sientan en dos tipos de butacas: unos rodeados por cuatro vecinos, otros por seis.

El neutrón es una partícula que normalmente reside en el núcleo atómico y no desaparece. Pero algunas teorías sugieren que, en ocasiones, podría transformarse en su gemelo invisible: una partícula imposible de detectar con los detectores convencionales.

En el cristal laminar CrSBr, los momentos magnéticos de los átomos están alineados como notas en una partitura: dentro de cada capa apuntan en la misma dirección, y entre capas, en direcciones opuestas. Esta melodía antiferromagnética suena hasta 132 kelvin, y más allá, el movimiento térmico destruye el orden.

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.

Una barra de metal, al calentarse, de repente se vuelve rígida y, de paso, pierde o gana propiedades magnéticas. En aleaciones a base de níquel y manganeso, estas transformaciones no ocurren de forma gradual, sino de golpe: los átomos se reordenan en una nueva estructura y el material cambia su comportamiento.

Una olla con agua en la cocina: cuanto más caliente está el fuego, más rápido el hielo se convierte en agua y el agua en vapor. El calor destruye el orden. Pero a veces la naturaleza hace un truco: el calor hace que un líquido se congele, como un charco en una helada.

Un cristal es como una ciudad: si las calles son torcidas, el tráfico se atasca. En un cristal, el papel de las calles lo juegan las filas de átomos, y el tráfico es el flujo de electrones. Cualquier pequeña irregularidad, impureza o desplazamiento de un átomo hace que los electrones se dispersen.

Un trozo de magnetita, esa piedra de hierro tan común, se comporta de manera extraña. A temperatura ambiente conduce la electricidad, pero si se enfría por debajo de menos 150 grados, la resistencia salta de golpe. Este salto, descubierto en 1939, dejó perplejos a los físicos durante casi un siglo. El nuevo trabajo propone la solución.

Cientos de personas en una pista de baile están a igual distancia unas de otras: un orden estricto, como en una red cristalina. La música lenta son las vibraciones térmicas, que hacen que los bailarines empiecen a balancearse ligeramente. Si la música se vuelve más fuerte y rápida, el orden se derrumba: todos se mezclan.

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.

Sobre una estrella de neutrones —el residuo superdenso de una estrella que explotó— cae gas. Este gas se acumula en los polos magnéticos y forma una montaña. Pero una montaña en una estrella de neutrones no se parece a una terrestre: no la sostiene la roca, sino las líneas de fuerza del campo magnético, como limaduras de hierro sobre un imán.

El cristal de ferrita de estroncio se asemeja a un edificio de varios pisos donde en cada planta viven átomos de hierro. Algunas plantas "miran" hacia arriba, otras hacia abajo, y sus campos magnéticos se cancelan parcialmente entre sí.

La aguja magnética de una brújula gira lentamente, pero en el interior de algunos materiales los diminutos momentos magnéticos pueden reorientarse en tiempos difíciles de imaginar. Un grupo de físicos ha calculado cómo hacer que cambien de dirección en una millonésima de milmillonésima de segundo. Es más rápido que un parpadeo.

Normalmente, la corriente en un metal actúa como agua hirviendo sobre el hielo: calienta el material y destruye el orden magnético. Pero en una estructura laminar de ditelururo de wolframio y el ferromagneto Fe3GeTe2, la corriente se comporta de otra manera.

Un trozo de aleación de europio e indio, al enfriarse en un campo magnético, se comporta como el agua que no se congela de una vez, sino primero en una esquina del vaso y luego en otra.

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.

El frigorífico magnético del futuro no zumbará con un compresor. En su lugar, enfriará los alimentos gracias a que un material especial se calienta en un campo magnético y se enfría cuando el campo se retira. Este ciclo se asemeja a la compresión y expansión de un gas en un frigorífico convencional, pero en lugar de un pistón, actúa un imán.

El cristal cambia su geometría interna como el armazón de un edificio que se ladea ligeramente durante un terremoto.

El cristal Pr₄Ni₃O₁₀ está dispuesto como un sándwich de tres capas: capas de óxido de níquel separadas por intercapas de praseodimio. Al enfriarse, se activan por turnos tres regímenes magnéticos — como si dentro del sándwich primero se alinearan los espines del níquel, luego se reordenaran ligeramente, y después se les unieran los espines del praseodimio.

Un trozo de combustible nuclear dentro del reactor no es solo un sólido. Al calentarse, los átomos de uranio comienzan a "mover" sus momentos magnéticos, y ese movimiento altera la conductividad térmica y otras propiedades.

Un imán que se apila en capas, como una torre de panqueques: así es el material CrSBr. A bajas temperaturas, cada capa está magnetizada, pero las capas vecinas apuntan en direcciones opuestas, y sus campos magnéticos se cancelan entre sí. Este orden se llama antiferromagnético y es frágil: basta con calentar un poco el material para que las capas se desmagneticen.

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.

Si se calienta un extremo de un conductor y se deja el otro frío, los electrones comienzan a fluir del extremo caliente al frío. Normalmente, esto genera un voltaje a lo largo del conductor, como el agua que fluye por un canal inclinado. Pero en algunos materiales, los electrones se desvían lateralmente y el voltaje aparece a través del conductor.

Una película delgada del compuesto de manganeso, bismuto y teluro se parece a un pastel de capas: cada capa es un plano atómico, y los momentos magnéticos dentro de la capa están alineados como las agujas de una brújula.

Partículas diminutas, más pequeñas que la centésima parte del grosor de un cabello, pueden ser imanes que no pierden fuerza incluso a 600 grados Celsius. Precisamente tales partículas se han fabricado a partir de una aleación de níquel, hierro y aluminio.

Cuando se enfría a -272°C, el cristal Fe₄Nb₂O₉ se convierte en un patrón magnético donde las agujas atómicas no se alinean en una sola fila, sino que se abren en abanico. Es como si una multitud se quedara inmóvil, pero cada persona mirara en una dirección distinta, en lugar de mirar la nuca del vecino.

Enfriaron el cristal a 228 grados bajo cero — y en su superficie apareció un patrón, como escarcha en el vidrio. Pero no lo dibuja la humedad, sino el campo magnético: diminutas partículas de hierro suspendidas en un líquido se depositan en las zonas magnetizadas y revelan su ubicación. Así funciona el método que usaron los autores del estudio.

El grafeno es una lámina de carbono de un átomo de espesor. Si se corta en tiras estrechas, se obtienen nanocintas de grafeno. Sus propiedades dependen de cómo se corte la tira: como con un mismo trozo de tela se puede coser tanto un mantel liso como una falda plisada. En el nuevo trabajo, los químicos ensamblaron una cinta de forma asimétrica.

Urano y Neptuno desconcertaron a los científicos durante mucho tiempo: sus campos magnéticos están muy inclinados y enredados, muy diferentes a los de la Tierra. La clave estaba en una forma inusual de agua: el hielo superiónico que llena sus profundidades.

Un imán de nevera se sostiene gracias a diminutas agujas internas, cada una como una brújula en miniatura. Si golpeas el metal con un destello de luz ultracorto, esas agujas empiezan a agitarse caóticamente y el magnetismo se derrite en una millonésima de milmillonésima de segundo. Antes, ese 'derretimiento' era demasiado rápido para poder verlo.

Normalmente, para invertir un imán en un dispositivo de memoria se utilizan metales pesados como el platino o el tungsteno. Sus electrones, al fluir la corriente, se desvían lateralmente, como una multitud en una escalera mecánica, y esa desviación transmite un momento de rotación a la capa magnética. Pero los metales pesados son caros y pierden mucha energía en forma de calor.

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.

La temperatura de una habitación baja varios grados mientras el refrigerador funciona sin un solo compresor en movimiento. Dentro no hay freón, sino un trozo de metal que se imana y se desimana.