Espectroscopía de RMN

Un intérprete en una sala de juicios capta cada palabra, cada suspiro, cada susurro en un rincón. No tiene derecho a dejar pasar ningún detalle, porque de él depende el sentido de toda la conversación.

El oleaje llega a la orilla no con un frente uniforme, sino con lenguas de espuma que unas veces se funden y otras se separan. Los campos magnéticos dentro de los materiales se comportan de forma parecida: respiran en forma de ondas y, hasta ahora, nadie las había visto en su totalidad.

Una esfera de aluminio del tamaño de un globo terráqueo grande se sitúa en un haz de neutrones y responde a cada impacto con una nota precisa. Dentro de la esfera no hay nada más que nitrógeno y once pequeñas esferas de acero, cada una del tamaño de la cabeza de un alfiler.

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.

Una pelota de tenis golpea un castillo de arena. El castillo se desmorona, pero por dónde y hasta dónde vuelan los granos de arena se puede deducir qué forma tenía el castillo. Así funciona aproximadamente el método de hacer explotar proteínas con rayos X.

Dentro del núcleo atómico, los protones y neutrones no están quietos, como guisantes en un frasco. Cada partícula ocupa su propia órbita: una región del espacio donde se la puede encontrar. Cuanto mayor es la órbita, más "difusa" está la partícula.

Para conocer el tamaño de la nube de protones en el núcleo atómico, los físicos hacen colisionar un núcleo inestable con un blanco y observan cuántos protones pierde. Cuanto más grande es el núcleo proyectil, más frecuentemente choca con los núcleos del blanco y pierde partículas.

Una proteína es como una pequeña máquina que se enciende y se apaga bajo órdenes. La orden llega cuando otra molécula se adhiere a ella, como una llave en una cerradura. Después, la proteína cambia de forma y transmite la señal más allá. Pero cómo exactamente viaja la señal dentro de la proteína había sido un misterio durante mucho tiempo.

El instrumento ilumina la muestra con un haz infrarrojo y las moléculas responden con su patrón de absorción, como campanillas de distinto tono. Ese patrón, el espectro, guarda información sobre la composición química.

Cuando un núcleo atómico pesado se parte en dos fragmentos, entre ellos queda un hilo cuántico invisible. Ese hilo es el entrelazamiento: el estado de un fragmento está ligado instantáneamente al del otro, como si aún fueran una sola cosa.

El núcleo de un átomo suele imaginarse como una esfera densa donde protones y neutrones están mezclados. Pero en algunos isótopos, los neutrones pueden sobresalir mucho más allá de esa esfera, formando una capa difusa: un halo de neutrones. Esto ocurre sobre todo en núcleos con muchos más neutrones que protones.

El núcleo atómico no siempre es redondo, como una bola de billar. Algunos núcleos se alargan con forma de balón de rugby, mientras que otros se vuelven parecidos a una pera, con un extremo más grueso que el otro.

El núcleo de uranio-235 que ha capturado un neutrón lento no se desintegra de inmediato en fragmentos. Primero, parece quedarse atrapado en dos 'pozos': estados con formas diferentes. El primero, el fundamental, es una gota ligeramente alargada. El segundo, el isomérico, es una gota más estirada, pero aún sin romperse.

El péndulo de estos relojes no oscila por un resorte o una pesa, sino por un diminuto empujón dentro del núcleo atómico. Los relojes atómicos ordinarios miden el tiempo mediante las oscilaciones de los electrones, pero aquí el péndulo es el propio núcleo: una densa bolita de protones y neutrones.

La leche hirviendo se cubre de una nata temblorosa. Por sus movimientos se puede adivinar la fuerza del fuego bajo la cacerola y el contenido de grasa de la leche. De manera similar, los astrofísicos observan la antigua radiación de microondas —la luz más vieja que nos ha llegado de una época en que el universo tenía solo 380 000 años.

Un receptor de radio del tamaño de la palma de la mano puede medir la potencia de la señal con más precisión que los costosos bancos de laboratorio. En su interior no hay bobinas ni antenas, solo una cabeza de vidrio y una nube de átomos de rubidio enfriados casi hasta el cero absoluto.

Unas balanzas ultraprecisas intentan captar la diferencia entre dos granos de arena casi idénticos. Uno de ellos es el reflejo perfecto del otro, como en un espejo. En el mundo de las partículas elementales, ese reflejo especular se denomina paridad P, y su violación es uno de los mayores enigmas de la física.

En el núcleo atómico, los protones y los neutrones están tan densamente empaquetados que entre ellos actúan fuerzas que recuerdan a resortes tensados. Unos resortes se comprimen y se estiran por igual en todas las direcciones: son las fuerzas centrales habituales.

En lo alto de las montañas, donde el aire es transparente y silencioso, los físicos se preparan para cazar a unos invitados escurridizos del cosmos: los neutrinos. Estas partículas, como fantasmas, atraviesan la Tierra sin apenas dejar rastro. Pero a veces un neutrino choca contra un átomo y genera una lluvia de partículas que puede verse.

El dicroísmo circular magnético de rayos X es una herramienta precisa que desde hace tiempo permite separar los momentos magnéticos de espín y orbitales. Sin embargo, el enfoque clásico se asemeja a evaluar una orquesta por el volumen: se basa en reglas de suma que reducen toda la estructura fina del espectro a un par de integrales.

En la braquiterapia, se insertan catéteres finos en el tumor. En las imágenes de TC se parecen a hilos luminosos entrelazados. Antes, los médicos los delineaban manualmente uno por uno, lo que llevaba hasta una hora. El nuevo algoritmo aprende de imágenes sintéticas: en un volumen vacío se dibujaban tiras metálicas, como hilos sin cuerpo.

En los primeros segundos tras el Big Bang, el Universo nos dejó no solo luz, sino algo mucho más esquivo: el fondo cósmico de neutrinos. Este eco de la creación impregna cada centímetro cúbico, pero apenas lo notamos.

Durante casi cien años, la sismología fue la radiografía principal del planeta, palpando el interior a través de ondas elásticas. Pero los neutrinos — partículas fantasma, predichas por Wolfgang Pauli — ofrecen una mirada diferente.

La colisión de dos estrellas de neutrones es un laboratorio cósmico donde la materia se comprime hasta densidades inimaginables. En los primeros instantes tras la fusión, se forma una nube ardiente que se enfría emitiendo neutrinos. Estas partículas invisibles se llevan la energía y dictan cuánta materia será expulsada al espacio y qué elementos pesados se sintetizan.

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).

Cuando un edificio se derrumba, el acero de refuerzo se convierte en una brújula magnética caótica. La entropía —una medida del desorden— aumenta, pero precisamente ese desorden señala los huecos donde puede haber personas.

En una pequeña placa de Petri hay una gota de líquido del tamaño de la cabeza de un alfiler. Un tomógrafo convencional ni siquiera la percibiría: la señal es demasiado débil. Pero si acercamos a la gota un diminuto sensor de campo magnético, la imagen cambia.

Intentar contar a las personas en una habitación oscura por el sonido de su respiración choca con el ruido general: no se oyen las respiraciones individuales. Un problema similar enfrentan los científicos que trabajan con espines cuánticos en sólidos. Cada espín (el momento magnético del electrón) tiene su propia "voz", pero el ruido técnico de los instrumentos la ahoga.

El núcleo atómico rara vez es una esfera perfecta. Más a menudo se parece a un balón ligeramente abollado: la carga eléctrica en su interior se distribuye de manera desigual, y los protones pueden desplazarse un poco, creando una diminuta protuberancia «en forma de pera».

Un péndulo que casi nada puede desviar: no le afectan ni las sacudidas, ni el calor, ni los campos magnéticos, porque está escondido en el mismísimo corazón del átomo. Ese es el péndulo que han utilizado los físicos al poner en marcha por primera vez un reloj nuclear. Antes, los mejores relojes, los ópticos, funcionaban con transiciones de electrones.

Una fotografía antigua, tomada en el momento del nacimiento del universo, nos trae su luz desde hace casi 14 mil millones de años. Esta imagen es la radiación cósmica de fondo, el eco enfriado del Big Bang. En ella quedaron registradas las mínimas irregularidades de las que más tarde crecieron las galaxias.

Las partículas magnéticas están unidas a la superficie del diamante mediante hebras de ADN, como marionetas con cuerdas. Bailan sin cesar impulsadas por el movimiento térmico de las moléculas del líquido. La viscosidad marca el ritmo: en la miel las partículas apenas tiemblan, en el alcohol danzan rápido.

El núcleo atómico rara vez se queda quieto: suele temblar, girar o pulsar como una cuerda tensa. Cada uno de esos movimientos es un estado excitado, y para describirlo normalmente se necesitan cálculos muy complejos.

Muchas transformaciones químicas se asemejan al ensamblaje de muebles en la oscuridad total: se ven las piezas iniciales y el armario terminado, pero el ensamblaje en sí sigue siendo un misterio. Los estados intermedios, como las posiciones fallidas de las manos del artesano, desaparecen demasiado rápido para distinguirlos.

El núcleo atómico es un muelle natural de fuerza colosal. Cuando los protones y neutrones de su interior se reorganizan, pasa a un estado especial de larga duración: isómero nuclear. En él se almacena energía, como un muelle comprimido al límite.

Dos estrellas ultradensas giran una alrededor de la otra y finalmente chocan. Esta danza dura solo unos instantes, pero genera poderosas ondas en el espacio: ondas gravitacionales. Tras la fusión queda un conglomerado que gira rápidamente y que suena como una campana, y ese tañido lleva información sobre de qué estaban hechas las estrellas.

Un espectro es como una fotografía del interior de una sustancia, tomada con luz. Cuando un haz atraviesa la muestra o se refleja en ella, las moléculas dejan en esa foto unas bandas oscuras características: los picos. Pero si la imagen está sobreexpuesta o cubierta por un velo gris, distinguir los detalles resulta casi imposible.

Sabemos de las estrellas de neutrones gracias a los trabajos de Fritz Zwicky, Subrahmanyan Chandrasekhar y Jocelyn Bell Burnell. Son antiguos núcleos comprimidos hasta el tamaño de una ciudad: una cucharadita de su materia pesa como el Everest.

El modelo estándar es el conjunto de reglas para todas las partículas conocidas. Pero guarda silencio sobre la materia oscura, que constituye una cuarta parte del universo. Para encontrarla, no hace falta construir colisionadores del tamaño de una ciudad.

En la molécula de benceno, los electrones zumban alrededor de los núcleos como un enjambre de abejas alrededor de la colmena. Pero este enjambre no solo zumba: pulsa. Cada 856 attosegundos, la nube electrónica completa un ciclo de oscilación.