magnetismo cuántico

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…

En el taller de la naturaleza hay una máquina extraña: talla la rosca de los tornillos, pero prohíbe la izquierda. Un tornillo se puede enroscar con la fuerza que se quiera, en cualquier sentido horario, pero en sentido antihorario no se puede. Esa máquina no es un invento, sino una regla cuántica precisa que los físicos acaban de construir para materiales magnéticos.

Una escalera cuyos travesaños son imanes diminutos. Si los imanes vecinos apuntan en direcciones opuestas, la escalera está «tranquila». Pero si se les obliga a apuntar en la misma dirección, toda la estructura se magnetiza y se vuelve «testaruda». Los científicos construyeron esta escalera con átomos de germanio, un semiconductor con el que se fabrican transistores.

Una diminuta esfera magnetizada flota en el vacío, sostenida por campos invisibles. Comienza a girar alrededor del eje del campo magnético, igual que una peonza a la que se le ha dado un ligero impulso. Esto es la precesión. Pero cuando la esfera se vuelve muy pequeña, entran en juego las leyes cuánticas.

Un suelo de parqué donde cada segunda tabla está girada en dirección opuesta parece simétrico. Pero si pasas la mano, en una dirección los dedos se deslizan a favor de la veta y en la otra se enganchan. Más o menos así funciona el nuevo tipo de magnetismo que se ha estudiado en el cristal AgCrP2S6.

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.

Un líquido superfluido fluye sin fricción, como agua que nunca se detiene. Pero si se le hace girar, no solo rota: cada diminuto vórtice recuerda exactamente cómo se le hizo girar. Esa "huella" no es una metáfora, sino una impresión geométrica real que los físicos llaman fase de Berry (el desfase acumulado por una onda al recorrer un camino cerrado).

En el mundo del magnetismo imperó durante mucho tiempo una simple dicotomía: los ferromagnetos, donde todos los espines apuntan en la misma dirección, y los antiferromagnetos, donde se ordenan en un patrón de damero, compensándose mutuamente.

Justo después del Big Bang, el cosmos era un plasma caliente: una mezcla de partículas cargadas y luz. En ese medio, las corrientes eléctricas no podían fluir por sí solas: se necesitaba una «diferencia de potencial» que empujara a los electrones respecto a los fotones.

Un imán ordinario se parece a una brújula: la aguja apunta al norte. Pero una brújula cuántica puede mirar en ambas direcciones a la vez. Si un imán que flota en el vacío se hace girar con cuidado, sus 'trompos' electrónicos se sincronizan de tal modo que todo el trozo de metal empieza a vivir bajo las leyes del micromundo: se congela en una superposición, como un indicador…

El campo magnético aumenta, pero la magnetización se queda congelada en su sitio. Como una balanza a la que añades peso y la aguja no se mueve hasta que se acumula lo suficiente para saltar a la siguiente marca. Así se comportan los cristales de tetraboruros de tierras raras, y los físicos llevaban décadas sin entender por qué.

Un puñado de monedas de cobre esparcidas sobre una red triangular se congela en un orden extraño cuando se les hace pasar corriente. Algo similar hacen las diminutas agujas magnéticas — los espines de los electrones — en un cristal con el raro nombre de Y-kapellasita.

Un malabarista lanza mazas sentado en una silla giratoria. Si comienza a hacer girar las mazas todas en la misma dirección, la silla girará en sentido contrario; de lo contrario, se violaría la ley de conservación del momento angular.

Un puñado de granos de arroz cae en una sartén caliente y empiezan a saltar. Cada grano empuja a sus vecinos, y todo el montón se agita sin que nadie lo toque. Eso es la materia activa: una multitud de partículas que extraen energía por sí mismas y la convierten en movimiento.

Una pequeña bolita con relleno de hierro descansa sobre una superficie, y a su alrededor gira un campo magnético. La bolita empieza a rodar como una rueda y normalmente va hacia donde gira el campo. Pero a veces, de repente, da la vuelta y rueda en dirección contraria, contra el campo.

Un diminuto imán, formado por apenas dos moléculas, se posó sobre una superficie metálica y se comportó como un director de orquesta caprichoso. Normalmente, los electrones en un metal se mueven de manera coordinada, como una multitud en una escalera mecánica. Pero con un enfriamiento intenso, ese orden se rompe y el movimiento se vuelve impredecible.

Un magnetar es una estrella de neutrones con un campo magnético cientos de millones de veces más intenso que el de la Tierra. Si acercaras un imán común a un campo así, se desmagnetizaría al instante, y los átomos se estirarían formando hebras delgadas.

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.

Un imán plano es como una lámina delgada por la que corren ondas de magnetización. En condiciones normales, estas ondas se atenúan rápidamente, pero si se aplica un campo magnético intenso, aparece en el material una señal inesperada: nítida y estrecha, como la sombra de la onda principal.

Un anillo de átomos magnéticos recuerda a una ronda en la que cada participante toma de las manos a sus vecinos. En los imanes ordinarios, cada átomo posee su propio momento magnético permanente, y estos interactúan como pequeñas agujas que tienden a alinearse en direcciones opuestas.

Los átomos magnéticos en un sólido se parecen a las agujas de una brújula: normalmente, al enfriarse, se alinean en una misma dirección, y así surge el magnetismo. Pero en el material TbInO3, las agujas de terbio se asientan en una red triangular donde es imposible complacer a todos los vecinos a la vez.

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.

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.

Un río tranquilo que de pronto empieza a hervir en un tramo llano: así se ve el enigma que abordaron los autores del nuevo trabajo. Tomaron una fina capa de gas cargado con un campo magnético muy débil y siguieron en la computadora qué le sucede. Al principio todo fluye uniforme, como agua del grifo.

Un destello láser golpea un cristal de óxido de cobre y, como ondas en el agua, se propagan ondas de excitación magnética: los magnones.

Un balón de fútbol golpeado con efecto no vuela en línea recta, sino que curva su trayectoria hacia un lado. Algo similar ocurre con un rayo de luz cuando se enfoca intensamente: comienza a empujar el átomo no solo hacia adelante, sino también hacia un lado. Los físicos han medido este desplazamiento en un solo ion de calcio atrapado en una trampa de luz.

En un imán común, todos los espines de los electrones (esas diminutas ‘flechas’ magnéticas internas, descubiertas por Pauli) apuntan en la misma dirección. Los altermagnetos, como el MnTe, son más complejos: la orientación de estas flechas se alterna, como las ondas en el agua que se expanden al lanzar una piedra.