espín nuclear

El campo magnético de la Tierra no es constante: tiembla por el viento solar, por tormentas lejanas, por el funcionamiento del metro. Para notar esas vibraciones se necesita un instrumento que no vibre por sí mismo. Los físicos han construido uno con átomos de iterbio enfriados casi hasta el cero absoluto.

Dos estrellas giran una alrededor de la otra, acercándose gradualmente. Su danza pierde energía, y esa energía se escapa al espacio en forma de ondas gravitacionales y, a veces, de otros campos.

Un carrusel no solo te hace girar en círculo: con cada vuelta también se enrosca ligeramente en el suelo. Este movimiento, parecido a un sacacorchos, es la esencia de la carga NUT, una propiedad especial del espacio-tiempo que los físicos estudian desde mediados del siglo pasado.

En junio de 2024, el radiotelescopio CHIME registró desde la fuente FRB 20240114A más de 700 estallidos de radio por hora. Este repetidor hiperactivo libera en una hora casi toda la energía magnética de un magnetar común (estrella de neutrones con campo ultraintenso).

En un mundo atrapado en una red cristalina y enfriado casi al cero absoluto, la materia sabe ocultar sus secretos profundos. Un líquido de espín cuántico es un estado en el que los espines de los electrones nunca se congelan, incluso a temperatura cero, permaneciendo en una superposición eternamente fluctuante.

En 1905, Einstein demostró que el movimiento caótico del polen en el agua es el resultado de los choques de moléculas invisibles. Un siglo después, los físicos aprendieron no solo a observar sino también a controlar el movimiento a nivel cuántico.

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».

Dos piedrecitas caen al agua y los círculos en la superficie se cruzan, mezclando sus patrones. Algo parecido hacen los neutrinos: partículas ligeras que nos atraviesan por miles de millones cada segundo. Son capaces de transformarse de un tipo a otro, como un actor que cambia de máscara. A esta danza los físicos la llaman oscilaciones.

Dos estrellas de neutrones dan vueltas en una danza final. Si su giro coincide con el movimiento orbital, los compañeros se fusionan limpiamente, expulsando un chorro estrecho de materia incandescente. Pero si giran en direcciones opuestas, la danza se rompe, esparciendo un denso manto de escombros.

El pesado núcleo atómico de californio-252 puede desintegrarse espontáneamente en dos fragmentos grandes, algo parecido a una gota de agua que revienta. Pero dentro de esa gota actúan las leyes cuánticas, y cada fragmento adquiere su propia rotación: el espín.

En el cristal de nitruro de boro, la red atómica perfecta a veces se rompe: en algún lugar falta un átomo, en otro lo reemplaza uno extraño. Bajo un potente microscopio, estas diminutas imperfecciones se ven como trampas para electrones: capturan partículas y comienzan a brillar, y además responden a un campo magnético.

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.

Una peonza gira tan rápido que está a punto de despedazarse. Añádele un imán potentísimo — tan fuerte que, si estuviera en lugar de la Luna, borraría los datos de todas las tarjetas de crédito de la Tierra. Eso es un magnetar: un resto estelar ultradenso, un conglomerado de materia donde una cucharadita pesa como una montaña.

Los pequeños imanes dentro de los átomos —los espines nucleares— pueden "congelarse" durante largos minutos en un cristal frío. Esto dificulta el ajuste rápido de los sensores cuánticos: todo tarda demasiado en alcanzar el estado deseado. Los físicos han encontrado una manera de impulsarlos con luz.

Un río fluye hacia un remolino, pero en el camino se encuentra con un dique que tiene una ranura. La mayor parte del agua se acumula frente al dique, pero una parte, tras ganar altura, lo sobrevuela y cae directamente en el embudo. Así ocurre con el gas en una galaxia: desciende hacia el centro, pero choca con un anillo de estrellas y gas, que actúa como un dique.

Una estrella de neutrones es un trompo con la masa del Sol, comprimido al tamaño de una ciudad. Nace en el fuego de una supernova y normalmente solo frena su rotación. Pero a veces, sin razón aparente, de repente acelera: ese tirón se llama glitch.

El núcleo atómico no es solo una bolita de protones y neutrones. En su interior, como en un diminuto imán, hay una distribución propia de magnetización. Hasta ahora era difícil de observar: los núcleos viven fracciones de segundo insignificantes y su campo magnético es débil.

El borde de un imán funciona como el puente de una guitarra: una cuerda presionada cerca del borde suena de manera diferente, con un conjunto más rico de armónicos. Algo similar ocurre con las ondas magnéticas en una fina cinta de níquel y hierro.

El núcleo atómico no es una bolita estática, sino un colectivo burbujeante de protones y neutrones. Giran, chocan y se organizan en patrones que los físicos ven como "bandas": escaleras de niveles de energía. En los núcleos de niobio y tecnecio se han encontrado cuatro de estas escaleras, pero la última se resistía obstinadamente a encajar en los cálculos.

Un trozo de combustible nuclear dentro del reactor no es solo un sólido. Al calentarse, los átomos de uranio comienzan a "mover" sus momentos magnéticos, y ese movimiento altera la conductividad térmica y otras propiedades.

Los científicos observaron un imán bidimensional de átomos de níquel, dispuestos en triángulos, mediante un método creado por Isidor Isaac Rabi: la resonancia magnética nuclear (similar a la IRM).

Un imán de nevera se mantiene pegado porque en su interior las diminutas agujas atómicas están alineadas en una misma dirección. Pero la mecánica cuántica hace que estas agujas tiemblen, y la magnetización total se vuelve menor que la ideal.

Una campana no suena con una sola nota: tras el golpe, resuenan varias armónicas a la vez. Algo parecido ocurre con el núcleo atómico: después de una colisión, puede vibrar, y esas vibraciones se detectan en los rayos gamma emitidos. Pero en el núcleo de niobio-104, con 41 protones y 63 neutrones, las armónicas resultaron ser más de las esperadas.

Una brújula magnética en un tubo de ensayo suena a truco de magia, pero es física pura. En una solución de fumarato (una sal del ácido málico), los núcleos de carbono-13 se comportan como pequeñas peonzas.

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.

Una multitud de treinta y un sensores cuánticos susurra en una lámina de diamante. Antes, ese susurro se ahogaba en el estruendo de los reflectores: las ráfagas aleatorias de fotones con las que se leía el estado de los espines acallaban el ruido cuántico propio del conjunto. Ahora los físicos han aprendido a apagar los reflectores y a escuchar a la multitud misma.

Hace cien años, la mecánica cuántica regaló al mundo una imagen ordenada: la rotación de una partícula alrededor de un punto solo es posible con ciertas porciones de momento angular, números enteros multiplicados por la constante de Planck. Esta regla parecía tan inquebrantable como la ley de la gravedad y se deducía de simples consideraciones algebraicas.

En el interior del diamante se esconden diminutas imperfecciones: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por nitrógeno y, junto a él, se abre un hueco. Estos defectos, como faros, pueden almacenar y transmitir información cuántica.