magnetorresistencia

El canal anular de arseniuro de galio se parece a una piscina redonda sin bordes: los electrones entran por la orilla interior y salen por la exterior. En un material ultrapuro chocan entre sí más a menudo que con los defectos de la red, y empiezan a comportarse como un líquido.

La luz arranca electrones del cristal y estos vuelan hacia el detector como flechas hacia un blanco. Con sus trayectorias, los físicos reconstruyen cómo vivían los electrones dentro del material: con qué energía y en qué dirección se movían. Pero basta con encender un campo magnético para que las trayectorias se curven.

En un sistema binario, la enana blanca, como una aspiradora, atrae gas de la estrella vecina. Si la enana tiene campo magnético, el gas no cae en cualquier lugar, sino que fluye hacia los polos, como limaduras de hierro hacia un imán. Allí se acumula formando un montón. Pero, ¿qué impide que ese montón se extienda?

Sobre la mesa hay un trozo de grafito cultivado a partir de gas, como una capa en la pared de un reactor. Normalmente, ese material no sirve para convertir calor en electricidad: en su interior, los electrones y los huecos corren en direcciones opuestas y se anulan mutuamente.

Dos bailarines en un mismo escenario: uno tira de su pareja hacia un lado, el otro hacia el opuesto. En el cristal Cu2(OH)3Br, conocido como botallackita, los átomos de cobre se disponen en cadenas donde los espines (momentos magnéticos) de iones vecinos se alinean ya sea en paralelo, como en un ferromagneto, o en antiparalelo, como en un…

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.

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.

La corriente en un metal ordinario fluye como una multitud por una calle recta: cada electrón va por su cuenta, y si se aplica un campo magnético, toda la multitud se desplaza ligeramente hacia un lado. Ese desplazamiento se llama efecto Hall.

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.

Dentro del imán de un resonador magnético, la corriente circula por un anillo superconductor cerrado, como el agua que gira en círculos en un cubo: la haces girar y sigue sola.

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.

Dos láminas de grafeno —capas ultrafinas de carbono de un átomo de espesor— están apiladas como el pan en un sándwich. Entre ellas hay una capa magnética de CrSBr. Cuando se hace pasar corriente a través de este sándwich, la resistencia depende de hacia dónde apuntan los momentos magnéticos en la capa intermedia.

Un espejo magnético es un tubo abierto por ambos extremos. El campo magnético en su interior está dispuesto de modo que el plasma caliente no se escape: en los extremos se concentra, como un tapón en una botella. Las partículas de plasma que vuelan hacia la salida son repelidas por estos «tapones» y regresan.

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 las profundidades de la Tierra, el hierro está al rojo blanco y la presión es tal que un instrumento común quedaría aplastado. Para asomarse a ese mundo, los físicos crearon un microscopio especial basado en diminutos defectos del diamante (los llamados centros NV).

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.

Las gigantes rojas son estrellas envejecidas e hinchadas. En su interior bulle un océano de plasma: el calor se abre paso desde el núcleo hacia la superficie, generando ondas parecidas a un potente oleaje. El campo magnético dentro de la estrella actúa como un relieve submarino invisible: dirige esas ondas, modifica su altura y velocidad.

Un imán normal de nevera atrae el hierro porque en su interior todas las diminutas agujas magnéticas apuntan en la misma dirección. Pero hay materiales donde las agujas se ordenan de forma más retorcida: las filas vecinas apuntan en direcciones opuestas y desde fuera parece que no hay magnetismo. A estos materiales se les llamó altermánes.

Un imán de nevera se pega porque las diminutas agujas atómicas en su interior están alineadas en una misma dirección. Pero si esas agujas empiezan a discutir entre ellas —unas tiran a la izquierda, otras a la derecha, otras giran como peonzas— surge la frustración magnética. Ese desorden da lugar a patrones extraños: franjas, espirales, vórtices.

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.

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 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 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.

En un cristal de europio, zinc y fósforo, la corriente se comporta como un coche en un camino lleno de baches. Los electrones no corren libremente, sino que arrastran nubes magnéticas, los polarones. A temperatura ambiente, estas nubes están dispersas, pero al enfriarse se fusionan en una masa continua, lo que hace que la corriente se ralentice bruscamente.

Un cristal no crece como un todo único, sino como una ciudad de barrios: los granos. En cada barrio, los átomos están ordenados a su manera, y los límites entre ellos son como calles.

El cristal de uranio-telurio, al enfriarse fuertemente, deja de oponer resistencia a la corriente. Antes de que eso ocurra, a una temperatura ligeramente más alta, su resistencia aún se puede medir, y esta revela la forma de los caminos invisibles por los que corren los electrones.

Un imán, como la aguja de una brújula, prefiere apuntar en una dirección determinada. Pero, ¿y si el material es laminado, como una pila de panqueques? Los científicos tomaron un imán de este tipo, hecho de un compuesto de cromo, germanio y telurio, y decidieron averiguar cuánto se "resiste" al intentar girar su magnetización.

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.

En un trozo de óxido de manganeso de unos pocos átomos de espesor, los electrones se comportan como una multitud en una escalera mecánica: cada uno se mueve según sus propias reglas, pero juntos crean un flujo común. Los físicos dirigieron rayos X blandos sobre esa película y expulsaron electrones hacia afuera.

Si acercas un clavo de hierro a un imán, se sentirá atraído. Dentro del imán, las diminutas agujas magnéticas de los átomos apuntan en la misma dirección, como soldados en formación. Pero en algunos cristales la formación es diferente: las agujas vecinas apuntan en direcciones opuestas. Ese orden se llama altermagnetismo y es difícil de ver directamente.

El campo magnético se parece a la sombra de un objeto: cambia con la forma de la fuente. Pero si se coloca una lente en el camino de la luz, se puede modificar la sombra. Así ocurre aquí: los autores han ideado una 'lente' para el campo magnético: un conjunto de materiales comunes con diferente permeabilidad magnética (capacidad de dejar pasar el campo).

Una tira de goma común rellena de pequeñas limaduras de hierro no solo se dobla en un campo magnético: se anuda en un nudo estable. Este efecto fue predicho y reproducido en experimentos por físicos que trabajaron con un elastómero magnetoactivo: una base de silicona con partículas de hierro carbonílico.

Los electrones en el cristal CrSb se comportan como un banco de peces: dentro del material se deslizan por sus 'pasillos', y en la frontera con el vacío se organizan en patrones caprichosos. Estos patrones son la superficie de Fermi, el mapa de todas las velocidades permitidas para los electrones. No se puede tocar con la mano, pero se puede 'palpar' con un campo magnético.

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.

El cristal Ca2RuO4 se parece a una pila de láminas delgadas. Dentro de cada lámina, los espines de los electrones están ordenados con precisión, como filas de soldados en formación. Entre las láminas, el enlace es débil y su signo puede invertirse si se estira el cristal ligeramente hacia los lados.

A un imán no le gusta que su campo penetre en un superconductor. Un trozo común de plomo, enfriado a temperaturas criogénicas, expulsa las líneas de campo magnético y levita sobre un imán. Este es el efecto Meissner-Ochsenfeld, descubierto en 1933.

A veces, en un diamante aparece un defecto: en lugar de dos átomos de carbono vecinos, hay un átomo de nitrógeno y un hueco. Este defecto es como una antena diminuta que responde al campo magnético.

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.

En un cristal de fluoruro de manganeso, los átomos están dispuestos como una fila de soldados. Pero dentro de esta formación hay un patrón oculto: los momentos magnéticos de los átomos apuntan en direcciones opuestas, y el patrón cambia cuando se gira el cristal.