vórtice magnético

Un vórtice en un disco magnético suele comportarse como una peonza grande: para que no se caiga, necesita una plataforma espaciosa y un campo propio fuerte que lo devuelva al centro. Pero, ¿y si reducimos la plataforma hasta el tamaño de un virus? Entonces el soporte habitual desaparece y el vórtice debería desmoronarse.

El horno microondas calienta la comida, pero en el laboratorio las microondas han hecho algo distinto: han convertido un superconductor en un imán permanente. Una película de óxido de itrio, bario y cobre de 300 nanómetros de espesor, enfriada a 80 kelvin, respondió a una radiación de 5 gigahercios.

Un vórtice en un disco magnético suele comportarse como una peonza grande: para que no se caiga, necesita una plataforma espaciosa y un campo propio fuerte que lo devuelva al centro. Pero, ¿y si reducimos la plataforma hasta el tamaño de un virus? Entonces el soporte habitual desaparece y el vórtice debería desmoronarse.

En las profundidades de una estrella de neutrones, donde la materia está comprimida hasta la densidad del núcleo atómico, los neutrones forman un líquido superfluido y los protones un superconductor. Un vórtice de neutrones es un vórtice cuantizado en el líquido superfluido, similar a un mini remolino que no puede detenerse.

Un vórtice en un material magnético es como un remolino, pero en lugar de agua, lo que gira son las direcciones de la magnetización. Un electrón que atraviesa ese vórtice no siente solo un campo magnético, sino una curvatura del espacio: su camino se dobla como si rodara por un embudo con cuello estrecho.

Un cúmulo globular —un denso enjambre de cientos de miles de estrellas— atraviesa la galaxia como una bala perfora el agua. En materia oscura ordinaria (esa masa invisible que mantiene unidas a las galaxias), debería perder velocidad rápidamente debido a la fricción dinámica.

Una piedra cae en aguas tranquilas y, sobre la superficie, se extienden anillos perfectos. Si la piedra no solo cae, sino que además gira, aparecen pequeños remolinos: vórtices. La luz sabe hacer lo mismo, solo que en lugar de agua, el medio es el propio espacio-tiempo.

En el centro de una galaxia lejana, donde gira un agujero negro supermasivo con una masa de cien millones de soles, el espacio está atravesado por campos magnéticos. Están enrollados en torbellinos apretados, como un embudo en una concha, solo que en lugar de agua hay plasma acelerado a velocidades cercanas a la de la luz.

Dos capas de diseleniuro de wolframio —no de carbono, sino de un compuesto de wolframio y selenio— se giran una respecto a la otra un ángulo diminuto, de unos 5 grados. Surge un patrón de moiré: una red periódica aumentada donde los electrones se comportan de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal ordinario.

Después del Big Bang, según la cosmología inflacionaria, el Universo experimentó una rápida expansión y una serie de transiciones de fase.

El interior de las estrellas de neutrones es el reino de la materia degenerada. Aquí los protones se condensan en un condensado superconductor, atravesado por vórtices cuánticos. Imagina diminutos trompos magnéticos: cada uno lleva un cuanto de flujo magnético y se desliza a través del líquido de electrones.

En el centro de muchas galaxias se esconde una nube invisible: el halo de materia oscura. Si esta materia es lo bastante fría y ligera, se comporta como un líquido superfluido: fluye sin fricción y cualquier rotación se enrolla en diminutos vórtices cuánticos, hilos del tamaño de un núcleo atómico.

En el mundo cuántico hay una danza propia. Dos toroides superconductores, que sostienen cómodamente cada uno su flujo magnético cuantizado, giran en un vals sincronizado. Entre ellos, el vacío, ni una sola línea de fuerza, pero replican los movimientos del otro sin error.

Una sartén larga y estrecha hace que un panqueque fino se congele en franjas irregulares. Durante décadas, los científicos vieron un panorama similar al modelar el comportamiento de los electrones en superconductores, materiales que conducen corriente sin pérdidas.

Un diminuto imán flota en una trampa magnética, como una aguja ingrávida. Su eje magnetizado es como la aguja obstinada de una brújula a la que no le permiten girar. Ante él se alza una pared invisible.

Un carrusel de luz no hace girar a personas, sino a electrones. En lugar de caballitos de madera, hay aspas invisibles hechas de luz. Ese es el «carrusel» que han construido los físicos para dar rotación a los electrones. Normalmente, para enrollar un haz de electrones en un vórtice se necesita una máscara diminuta: una plantilla con ranuras tallada a escala atómica.

El campo magnético no penetra en un superconductor como un flujo continuo, sino en forma de finos hilos: los vórtices. Normalmente se repelen y se ordenan en una red triangular regular, como flotadores en el agua. Pero en CaSb₂ todo ocurrió de otra manera: los vórtices se agruparon en montones apretados, dejando entre ellos espacios casi vacíos.

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.

Un gas superfluido se comporta como un líquido sin fricción. Dos nubes de este gas se conectan mediante un puente estrecho, y a través de él fluye una corriente de partículas. Esto recuerda al efecto Josephson en los superconductores, pero en lugar de electrones, son átomos neutros.

Una célula que se prepara para dividirse primero marca su cintura. Bajo su membrana, en un gel fino de filamentos proteicos, comienza el movimiento. Los filamentos fluyen como un río lento y en el centro de la célula se forma un cinturón. Este cinturón se aprieta cada vez más hasta que la célula se estrangula en dos.

En un diminuto punto magnético, de menos de una micra, habita un vórtice: la magnetización se arremolina como el agua en un remolino. En el centro de ese remolino está el núcleo, que a su vez gira en una pequeña órbita, como una peonza a la que han dado un impulso.

Dentro de la Tierra hay un núcleo sólido de hierro del tamaño de la Luna. Flota en metal líquido y se balancea ligeramente, como un hueso dentro de un melocotón si se agita la fruta. Estas oscilaciones se denominan modos de Slichter: el núcleo se desplaza a lo largo del eje del planeta o transversalmente. El movimiento es frenado por tres fuerzas a la vez.

Cuando el agua hierve en una tetera, ondas de vapor se expanden por la cocina. En el espacio ocurre un proceso similar en el plasma, un gas tan caliente que los electrones se separan de los átomos. Alrededor de los agujeros negros y las estrellas de neutrones, este plasma no solo es caliente: las partículas se mueven a casi la velocidad de la luz.

En el frío corazón de un cristal puro, los electrones fluyen como un líquido viscoso, una idea predicha por Lev Landau. Pero los vórtices de este líquido permanecían invisibles, como una imagen deducida del ruido de los espectadores. Ahora los científicos han creado una nanocuerda: un diapasón semiconductor con una cavidad circular.

Una fina lámina de grafeno de unos pocos micrómetros de espesor se colocó en un campo magnético débil, y comenzó a expulsarlo de su interior, como una esponja que, al ser comprimida, expulsa el agua.

La corriente eléctrica en un superconductor es como una multitud que corre por un pasillo sin fricción. Pero en los superconductores de tipo II hay obstáculos: diminutos vórtices de campo magnético que la corriente desplaza. Cuando un vórtice se mueve, aparece resistencia y la corriente disminuye.

Un superconductor conduce la corriente sin pérdidas, como una carretera perfectamente lisa por la que los coches circulan sin fricción. Pero, ¿y si esparcimos piedras y baches en la carretera? Los científicos decidieron probar esto añadiendo desorden a un material superconductor de un átomo de espesor.

La memoria de una computadora convencional gasta energía constantemente para almacenar unos y ceros. Pero los superconductores conducen la corriente sin pérdidas: si se pudiera construir una memoria con ellos, consumiría casi nada de electricidad. El problema es que los superconductores no saben recordar: su estado cambia con demasiada facilidad.

Un superconductor ordinario pierde resistencia al enfriarse, y la corriente fluye sin pérdidas. Pero en películas ultrafinas es diferente: el material oscila entre el estado normal y el superconductor, y en ese intervalo surgen extrañas ondas de resistencia. La resistencia sube y baja, como si alguien girara la perilla del volumen.

Un cable delgado hecho de un material especial, un aislante topológico, se comporta como una calle de ciudad: por dentro está vacío y todo el tráfico circula por los bordes. Los electrones en ese cable se mueven solo por la superficie, como peatones por la acera sin pisar la calzada.

Un planeta joven en un disco de gas se parece a un nadador que intenta nadar contra la corriente: la fricción con el gas lo frena y se acerca a la estrella en espiral. Para los planetas rocosos pequeños, esa caída puede llevar menos tiempo del que necesitan para crecer. Pero en el disco también hay corrientes opuestas: vórtices que pueden empujar al planeta hacia afuera.

Un interruptor común hace clic, y la corriente fluye o no. Ahora existe un material que conmuta por sí mismo entre «conduce sin pérdidas» y «opone resistencia» bajo la acción de un imán. Ese sándwich es el que han construido los físicos: una fina película de plomo sobre un superconductor de bismuto, estroncio, calcio, cobre y oxígeno.

Un superconductor es un material donde la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si aparecen vórtices, la corriente empieza a 'tropezar' con esos pequeños remolinos. En el grafeno retorcido en un ángulo especial, se pueden crear y estudiar estos vórtices uno a uno.

En un superconductor, la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si se coloca este material en un campo magnético, aparecen vórtices en su interior: pequeños remolinos donde la superconductividad se destruye.

En un superconductor ordinario, los electrones se unen en pares que permanecen quietos: su impulso total es cero. Pero puede ser diferente: los pares adquieren un impulso común y comienzan a moverse, como un banco de peces nadando contra la corriente. Este estado se llama onda de pares y es muy caprichoso: se necesitan condiciones especiales.

Un cristal superconductor se comprime en una celda pequeña, como si se sujetara en un tornillo de banco, pero con agua para que la presión se distribuya uniformemente. Una presión de hasta 1,08 GPa (aproximadamente cien veces mayor que la de un neumático de automóvil) apenas cambia la temperatura a la que el material pierde su resistencia.

Dentro de una célula viva gira un minúsculo trompo de carbono: una molécula de tamaño nanométrico. Un trompo común cae rápido, pero este se comporta distinto: es capaz de girar en dos direcciones a la vez, como una moneda cuántica eternamente congelada en su caída.

Los vórtices magnéticos en los superconductores, como remolinos en el agua, normalmente disipan energía y desaparecen rápidamente debido a la fricción interna — disipación. Esto impide su uso en chips cuánticos.

A 78 K, el cristal de Mn₃Si₂Te₆ se convierte en una bobina de inductancia que no necesita ni alambre de cobre ni superconductor. Los electrones en su interior se organizan espontáneamente en vórtices cerrados con una dirección de rotación definida: corrientes orbitales quirales.

Dos anillos de vórtice lanzados uno tras otro se atraviesan mutuamente, intercambiando sus posiciones. Esta danza, observada por primera vez en el siglo XIX con anillos de humo, ahora se ha reproducido en un procesador cuántico. Los vórtices son actores en el escenario cuántico, donde el tiempo actúa como una dimensión adicional.