magnetismo por patrón de moiré

Una cerradura con dos llaves distintas: una gira con facilidad, la otra exige un esfuerzo notable. Así se comportan dos capas de nitruro de boro hexagonal cuando se giran una respecto a la otra. Este material está formado por átomos de boro y nitrógeno dispuestos en una red hexagonal, y sus capas pueden adoptar diferentes posiciones, como dos rejillas idénticas desplazadas un cierto ángulo.

Una hoja de papel dejada sobre una mesa mojada se ondula y levanta los bordes. Nadie controla ese movimiento, pero ocurre según las mismas leyes que el crecimiento de una planta: unas zonas de la hoja se contraen más que otras, y la forma plana se convierte en volumen. Los ingenieros llevan mucho tiempo queriendo domesticar ese proceso para que una pieza plana se pliegue sola en la escultura deseada.

Una baraja de cartas en la que cada carta está ligeramente girada no puede quedar perfectamente alineada: los dorsos y los diseños nunca coinciden. Pero si las cartas son flexibles, comienzan a ajustarse, desplazándose fracciones de milímetro para encontrar la coincidencia ideal. Algo similar ocurre dentro de los cristales cuando dos capas gruesas de MoS2 o de MoS2 con WS2 se apilan con una rotación de 1 a 2 grados.

Una autopista donde los flujos opuestos no solo están separados por lados distintos, sino por dos carreteras independientes, cada una con su propia entrada y salida. Algo parecido ocurre con los electrones en un nuevo tipo de aislante topológico descrito por los autores del trabajo.

Normalmente la luz no convierte un aislante en conductor: para eso se necesitan pulsos láser potentes que rompan la estructura del material. Pero en el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico todo es distinto.

Los patrones muaré son familiares para todos. Dos peines con distinto paso, superpuestos, muestran franjas oscuras. Algo similar surgió en el tiempo. Los físicos tomaron una nube de átomos de Rydberg —partículas con órbitas electrónicas excepcionalmente grandes— y la iluminaron con dos láseres.

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.

Una hoja de papel cuadriculada, una con rombos y otra con panales: tres universos distintos para una hormiga. Cambia la hoja y cambian las reglas del movimiento. Algo así sienten los electrones en una red cristalina: la geometría dicta si serán imanes, superconductores u otra cosa. En los materiales comunes, la red es rígida, como grabada.

Cada electrón es un imán en miniatura. En una capa de cloruro de hierro de un átomo de espesor, todos se orientan en la misma dirección, como bailarines en una coreografía perfectamente sincronizada. Normalmente, la naturaleza evita ese orden (eso es alta entropía), pero las fuerzas cuánticas los obligan a obedecer.

Una piscina enorme llena de agua. En una esquina ocurre una reacción química que necesita calcularse con precisión de joyero. Pero el agua alrededor no es solo decoración: sus moléculas se empujan, se atraen e influyen en la reacción. ¿Cómo tener en cuenta este baile interminable de partículas sin ahogarse en cálculos?

Una fila de personas que se dan la mano pero miran en direcciones opuestas: unas hacia el norte, otras hacia el sur. Así es un imán de onda p. En él, los electrones alinean sus momentos magnéticos (espines) no al azar, sino siguiendo un estricto patrón ondulatorio.

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.

Dos hojas de papel apiladas, al calentarse, comienzan a deslizarse imperceptiblemente una sobre otra. Algo así ocurre con las capas de disulfuro de molibdeno, un material de un átomo de espesor. A temperatura ambiente, se deslizan espontáneamente a una velocidad de aproximadamente un metro por segundo.

El óxido de rutenio fue considerado durante mucho tiempo un altermagneto ejemplar: un material en el que los momentos magnéticos de átomos vecinos apuntan en direcciones opuestas, pero no se compensan por completo debido a la simetría especial del cristal. Nuevas mediciones han demostrado que en el interior del cristal no hay magnetismo alguno.

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.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor está suspendida en el aire, como una sábana tensada. Por ella corren ondas de calor: vibraciones de átomos que los físicos llaman fonones. Antes se pensaba que estas ondas se disipaban rápidamente debido a la fuerte interacción, y que el calor se transmitía mal.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor es como una malla metálica flexible por la que los electrones se mueven casi sin obstáculos. Apila dos de estas láminas con un ligero desplazamiento y las propiedades del material cambian drásticamente: puede convertirse en un aislante que no conduce la corriente.

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

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 CeB6 es como una caja con un secreto: en su interior, los electrones pueden ocupar cuatro posiciones casi idénticas, como cuatro sillas alrededor de una mesa. Mientras nadie mira, el electrón parece estar sentado en las cuatro a la vez. Este estado oculto se denomina cuadrupolar en física, y afecta a las propiedades magnéticas, pero es difícil de observar directamente.

Dos capas de material magnético, giradas entre sí fracciones de grado, como dos rejillas ligeramente desplazadas en una ventana. En estado normal no producen nada especial, pero con un cierto ángulo de giro surge en el material un efecto inesperado.

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.

Un superconductor normal expulsa el campo magnético, pero este anillo, al contrario, lo crea en su interior. El anillo está hecho del material Fe(Te,Se), un compuesto de hierro, telurio y selenio que pierde su resistencia eléctrica a temperaturas muy bajas.

En los sólidos, los átomos vibran transmitiendo el sonido. A veces, esta onda no viaja en línea recta, sino que se enrolla en espiral, como un sacacorchos entrando en un corcho. En cristales comunes, estos 'vórtices sonoros' se conocen, pero en materiales magnéticos no se habían podido observar durante mucho tiempo.

Según teorías que van más allá del Modelo Estándar, en los primeros instantes tras el Big Bang surgían pares de monopolos magnéticos — partículas con un único polo magnético. Estos quedaban en los extremos de una cuerda cósmica: un filamento de energía pura.

Los altermagnetos recuerdan a un salón de baile donde las parejas giran en direcciones opuestas: el salón está inmóvil, pero en su interior bulle un movimiento ordenado. Así, los espines electrónicos (la orientación de su rotación) en estos materiales forman patrones complejos sin crear un magnetismo global.

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 trozo de oro no atrae clips. Pero si tomamos una película delgada de una aleación de gadolinio, oro y germanio y comenzamos a doblarla, pueden aparecer regiones magnéticas. Los científicos lo hicieron no con las manos, sino con un flujo de iones de helio que penetraba en el material a través de una máscara con patrones.

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.

Las capas retorcidas de átomos en un material forman un patrón de pequeñas regiones — los dominios — cada uno de los cuales puede estar electrizado en una de dos direcciones, como la aguja de una brújula que apunta al norte o al sur. Antes, estos materiales se estudiaban solo en conjunto, midiendo miles de dominios a la vez, y su comportamiento general era como un coro donde no se distinguen las voces individuales.

El cristal CeRh₂As₂ se comporta como un interruptor: enfríalo y se vuelve superconductor, luego acércale un imán y salta a otro estado superconductor. Este comportamiento es raro: la mayoría de los superconductores tienen un solo estado, pero aquí hay dos, separados por una frontera abrupta.

Un diminuto imán hecho de capas de azufre, cromo y bromo yace sobre la platina de un microscopio. Dentro de él, como invitados inesperados, se encuentran átomos de erbio, un metal de tierras raras. Estos átomos pueden brillar si se iluminan con un láser, y su luz revela lo que sucede a su alrededor.

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.

El cristal de RbMn6Bi5 se asemeja a un edificio de cinco plantas de átomos de manganeso, donde los inquilinos de cada piso forman un pentágono. A temperatura ambiente, los momentos magnéticos de los átomos oscilan caóticamente, como las agujas de brújulas durante una tormenta magnética.

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.

Una brújula magnética común se congela cuando un rayo cae cerca. El repentino salto del campo magnético confunde a la aguja. Un problema similar impedía a los científicos medir el magnetismo de los materiales en campos pulsados intensos, de esos que se activan por una milésima de segundo. La nueva instalación resuelve este problema con un rayo láser.

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.

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 1903, Fritz Heusler descubrió la aleación Cu₂MnAl, que se comportaba como un imán aunque ninguno de sus metales constituyentes lo fuera. Desde entonces, la familia de las aleaciones de Heusler ha crecido hasta tres mil compuestos, y entre ellos Co₂FeGe es un material que atrae la atención de los físicos por su alta temperatura de Curie y sus perspectivas en…