efectos magnetofotónicos

Una orquesta sin director puede sonar afinada si los músicos sienten el ritmo común. En el mundo de los sólidos, ese ritmo lo marcan los fonones: los cuantos de las vibraciones de la red cristalina. Cuando los átomos del sustrato comienzan a moverse en círculo, pueden transmitir su rotación a la capa magnética que tienen encima e invertir su magnetización.

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.

Por un camino estrecho avanzan dos caravanas en direcciones opuestas. Una es ancha y lenta, lleva la carga de la densidad. La otra, una hilera de carretas ligeras con corriente, se desliza entre las primeras. Así, en la descarga del magnetrón coexisten dos estructuras que giran en sentidos contrarios: la aguja de densidad y los filamentos de corriente.

El Sol respira, y esa respiración tiene un ritmo magnético. Cada 27 días, la superficie visible de la estrella completa una rotación, y con ella también lo hace su campo magnético, como una cinta invisible que envuelve al astro.

El campo magnético suele actuar como un estricto controlador de tráfico: para que el calor se convierta en electricidad, debe colocarse de través en el camino. Si el campo se alinea con el flujo de calor, el efecto desaparece, o al menos así se creyó durante décadas.

Los electricistas que trabajan con alta tensión se parecen a los buzos: necesitan ver lo que ocurre en las profundidades, pero sin bajar ellos mismos. Para eso hace falta un sensor que se mantenga alejado de la corriente peligrosa y envíe la información a la superficie.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo experimentó una expansión vertiginosa: la inflación. El espacio se estiró más rápido que la luz, y las fluctuaciones cuánticas del vacío se convirtieron en partículas reales.

La corriente de iones a través de la membrana se parece a una cola frente a un torniquete. A veces el torniquete está libre: los iones pasan rápidamente. A veces se atasca: el flujo cae. Un campo magnético débil, como se ha descubierto, no empuja a los iones por la espalda, sino que simplemente cambia el número de torniquetes abiertos.

En 1956, dos radiotelescopios en Jodrell Bank apuntaron a Sirio, captando no imágenes sino el temblor de la intensidad. El experimento de Hanbury Brown y Twiss (HBT) reveló algo sorprendente: las correlaciones de los fotones entrantes cuentan la estadística de la fuente, si es caótica como una lámpara térmica o coherente como un láser.

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.

En el interior de los planetas y estrellas, en los océanos rotantes de plasma, chocan flujos turbulentos, fuerzas de Coriolis y tensión magnética. La intriga principal es cómo la energía de este caos cristaliza en un armazón magnético estable, capaz de perdurar miles de millones de años.

La cuerda de una guitarra sigue vibrando incluso después de que el músico la suelta, y esa vibración modifica el sonido que escucha el oyente.

Un rayo de luz entra en un vidrio esmerilado y se apaga: algo común. Pero los físicos saben desde hace tiempo cómo hacer que la luz lo atraviese sin perder ni un fotón. Ese truco se llama transparencia inducida electromagnéticamente: dos ondas de luz se cancelan mutuamente en el punto adecuado y la absorción desaparece.

Desde el Sol hacia la Tierra se precipita el viento solar, pero la magnetosfera desvía el flujo y esculpe con él colas de plasma.

Un surfista se desliza sobre la superficie del océano hasta que llega una gran ola, y entonces sale disparado hacia adelante. De manera similar, un electrón libre interactúa con la luz: normalmente el intercambio de energía es apenas perceptible, pero si el medio circundante comienza a cambiar rítmicamente, cada cresta de la onda empuja a la partícula con más fuerza.

Una pila ordenada de capas atómicas descansa sobre un sustrato. Desde arriba incide un haz invisible de luz terahercio, y desde un lado se aplica un campo magnético. Al reflejarse, el haz gira ligeramente su polarización.

Una estrella muerta con un campo magnético miles de millones de veces más intenso que el terrestre es un magnetar. Su corteza se agrieta y emite una potente ráfaga de rayos X hacia el espacio. Pero parte de esa luz no llega hasta nosotros en su forma habitual.

El espacio-tiempo puede imaginarse como una tela bien tensada. Un cuerpo masivo la hunde, dirigiendo la luz. El giro, en cambio, retuerce la tela en espiral. Ese remolino gravitacional es capaz de entrelazar un fotón pasajero con la propia fuente del giro — por ejemplo, un diminuto espejo.

Una linterna común ilumina por igual hacia adelante y hacia atrás. Pero en los cristales magnéticos nace un axión, una excitación fantasma parecida a una ola en un estadio: los átomos se pasan entre sí un impulso magnético.

Dos imanes sobre una mesa se atraen o se repelen, según cómo estén orientados sus polos. Dentro de cada pieza se esconden diminutas regiones donde todas las flechas magnéticas apuntan en la misma dirección. Estas regiones se denominan dominios, y de su disposición depende cómo se comporte el material en un circuito eléctrico.

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.

Los bits cuánticos (cúbits) son como música frágil en un taller ruidoso. Los campos magnéticos del entorno «silencian» constantemente su estado cuántico, convirtiendo una señal ordenada en cacofonía.

Un superconductor se parece a una ronda perfecta de electrones: se mueven en parejas sin perder energía, como bailarines que nunca pierden el ritmo. Pero basta con añadir algunas impurezas magnéticas, y en la ronda se cuelan intrusos que perturban el movimiento sincronizado. La temperatura a la que comienza este baile desciende.

El haz de una linterna se desliza sobre un vidrio irregular. El vidrio son los cúmulos masivos de galaxias, y la linterna es la luz antigua nacida poco después del Big Bang. Al pasar cerca de estos cúmulos, la luz no solo los rodea como el agua rodea una piedra.

Las estrellas de neutrones son restos superdensos de estrellas, donde la materia está comprimida al límite descrito por Subrahmanyan Chandrasekhar. Los magnetares son una variedad con un campo magnético un cuatrillón de veces más fuerte que el terrestre.

En el mundo cuántico, la luz y la materia intercambian energía constantemente. Antes se describían de forma estática, como posturas congeladas. El nuevo enfoque sigue la danza misma: las transiciones entre estados, como un flujo continuo de movimientos.

Cuando dos agujeros negros se fusionan, sacuden el propio tejido del espacio-tiempo. El nuevo gigante no se calma al instante: resuena como una campana cósmica, emitiendo el patrón característico de ondas gravitacionales amortiguadas, el llamado ringdown.

El universo no es un vacío, sino una enorme esfera de cristal, atravesada por fronteras invisibles: paredes de dominio, congeladas después de transiciones de fase.

La luz, como una cuerda que se sacude, oscila en un plano determinado. Los astrónomos e ingenieros suelen rotar la imagen con un sistema de tres espejos, el llamado espejo K, pero al hacerlo, el plano de oscilación de la luz también rota involuntariamente. Para mediciones precisas, eso es un problema.

Una enorme nube oscura de gas se extendía por el universo joven. En su interior, como dedos invisibles, se entrelazan las líneas de campo magnético que quedaron del mismo nacimiento del mundo. Estos campos actúan sobre las partículas cargadas, empujándolas unas hacia otras, como un viento suave que amontona las hojas caídas.

Una pila de láminas magnéticas, cada una imantada en dirección opuesta a la vecina, es como un sándwich de capas donde los electrones se mueven como un solo organismo. Todo el material empieza a imitar al axión, una partícula fantasma que los físicos sospechan que es la materia oscura.

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.

Un trozo de película de óxido de zinc yace sobre la mesa. Acercan un imán y comienzan a girarlo lentamente alrededor de la película. La película, más delgada que un cabello humano, empieza a cambiar sus dimensiones: ora se contrae, ora se estira. Esta propiedad se llama magnetostricción: la capacidad de un material de deformarse bajo un campo magnético.

Un nadador que corta el agua a la velocidad de las olas que corren sobre ella se encuentra en una situación extraña: las olas que él mismo genera no pueden ni adelantarlo ni quedarse atrás. Se acumulan frente a su proa y se congelan. Un fenómeno similar ocurre cuando una fuente de luz se mueve dentro de un medio a una velocidad que coincide con la velocidad de transferencia de energía de las olas.

Un cristal de titanato de bario se parece a una multitud en la que cada persona sostiene una flecha indicadora. En estado normal, las flechas apuntan en direcciones distintas, pero si se aplica un campo eléctrico, todas giran a la vez hacia un mismo lado.

En el cristal de titanato de bario hay un campo eléctrico interno, como el de un imán permanente, pero para cargas. Cuando llega un destello de luz, expulsa electrones que comienzan a agitarse, chocando con los átomos. Pero el cristal no es igual en todas las direcciones: tiene un eje a lo largo del cual el campo es más intenso.

Se puede hacer que un haz de luz parezca una flor con varios pétalos. Si se hace pasar ese haz a través de una nube de átomos fríos de rubidio y se enciende un campo magnético, los pétalos comienzan a girar. El ángulo de giro está directamente relacionado con la intensidad del campo.

En el Sol a veces aparecen nubes gigantes de plasma que intentan escapar al espacio. Pero a menudo no lo logran: una jaula magnética invisible las retiene cerca de la superficie. Estas erupciones fallidas se denominan "confinadas". Los científicos han construido un modelo informático para entender cómo funciona exactamente esta jaula.

Un láser potente impacta en un diminuto blanco, que al instante se convierte en una nube de gas incandescente: plasma. En esa nube nacen espontáneamente campos magnéticos. Actúan como manos invisibles que impiden que el calor escape libremente del centro caliente.

Los momentos magnéticos en un cristal se asemejan a las agujas de brújulas fijadas en los nodos de la red. En estado normal se alinean en un orden preciso, pero si una onda electromagnética golpea el cristal, las agujas comienzan a oscilar, como espigas de trigo bajo el viento. Estas oscilaciones se denominan magnones y transportan energía sin que los propios átomos se desplacen.