líquido de espín cuántico

La molécula de tripticeno recuerda a una estrella de tres brazos rígidos. Cuando se esparcen esas estrellas sobre una superficie de plomo, se acomodan solas formando un patrón que parece una cesta tejida: triángulos y hexágonos se alternan, y en cada nodo no hay una estrella, sino un par.

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.

El cristal de herbertsmithita, parecido a un pastel de capas de cobre y boro, se comporta como una escalera: los espines de cobre se alinean en dos líneas paralelas unidas por travesaños.

En una fina película de cobalto y hierro depositada sobre un sustrato de silicio, se enrolla un diminuto vórtice magnético. No se dispersa, sino que se mantiene en su lugar, como una gota de aceite en una sartén caliente.

Un gas superfluido es como una multitud que marcha al unísono: cada átomo sabe hacia dónde moverse y no se desvía del ritmo común. Pero esta multitud tiene tres «valles»: tres direcciones diferentes por las que puede avanzar.

El cristal PbCuTe₂O₆ se asemeja a una telaraña tridimensional de cobre, telurio y oxígeno. En su interior, los momentos magnéticos (pequeñas flechas asociadas a los espines de los electrones) están entrelazados de tal manera que no pueden alinearse en un orden convencional ni siquiera cerca del cero absoluto.

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 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.

En la imagen heisenbergiana habitual, a bajas temperaturas los espines deben ordenarse en un patrón estricto. Pero hay cristales — por ejemplo, el pirocloro — donde la geometría impone su ley.

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.

La espintrónica promete transmitir información no con carga, sino con espín, liberando a la microelectrónica de su principal enemigo: el calentamiento Joule.

Una película magnética delgada se asemeja a una fila de soldaditos con pequeñas agujas magnéticas. En el mundo plano, los golpes térmicos desordenan rápidamente esa fila: el más mínimo calentamiento destruye el orden. Así funciona el teorema de Mermin-Wagner: en dos dimensiones, una simetría continua no sobrevive a temperatura finita.

En un mundo que tiende al caos, a veces nace un ritmo. La reacción química de Beloúsov-Zhabotinski ha fascinado durante décadas: en un tubo de ensayo, ondas de colores se propagan por sí solas, como un organismo vivo que respira materia.

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…

Una olla con agua en la cocina: cuanto más caliente está el fuego, más rápido el hielo se convierte en agua y el agua en vapor. El calor destruye el orden. Pero a veces la naturaleza hace un truco: el calor hace que un líquido se congele, como un charco en una helada.

El azúcar se disolvió en el té y, de repente, con un solo movimiento, volvió a juntarse en la cuchara. En una cocina normal, esto no se ve: la viscosidad y el desorden lo impiden. Pero en el mundo de los movimientos ultralentos, donde la inercia desaparece, trucos así se vuelven realidad.

En un cristal ordinario, los átomos están alineados en filas perfectas, como soldados en formación. Cualquier desviación de ese orden se considera perjudicial: el desorden dispersa las ondas y apaga rápidamente los movimientos colectivos de las partículas.

Dentro de un superconductor, el campo magnético suele enrollarse en tubos: vórtices, cada uno de los cuales transporta un cuanto de flujo magnético. Así está construida la red clásica de Abrikósov. Pero en los cristales de LiFeAs el panorama es diferente.

Según el Modelo Estándar, el vacío no está vacío, sino que es un océano de partículas virtuales fantasmales. Un campo electromagnético superintenso, como una tormenta, arranca pares de electrones y positrones hacia la realidad.

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.

Dentro de la Tierra hay un núcleo sólido de hierro del tamaño de la Luna. Flota en metal líquido y se balancea ligeramente, como un hueso dentro de un melocotón si se agita la fruta. Estas oscilaciones se denominan modos de Slichter: el núcleo se desplaza a lo largo del eje del planeta o transversalmente. El movimiento es frenado por tres fuerzas a la vez.

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.

Los monopolos magnéticos son como mitades de un imán que no pueden existir por separado en un material ordinario. Pero en el hielo de espín aparecen en pares, unidos por un hilo invisible: la cuerda de Dirac.

En un líquido de espín, los átomos imán no se congelan: sus agujas magnéticas parpadean constantemente, pero de forma coordinada. Si esta danza se tuerce en una dirección, surge un líquido de espín quiral, un vórtice cuántico estable.

Una cesta tejida de bambú no es solo un objeto cotidiano, sino un esquema exacto de la disposición de los átomos en el cristal YMn₆Sn₆. Seis átomos de manganeso forman hexágonos que se ensamblan en un patrón que recuerda al kagome japonés. En una red así, los electrones suelen comportarse de manera uniforme, como pasajeros en un vagón de metro abarrotado.

Una gota de tinta cae en un vaso de agua y desde ella se expanden círculos. El agua parece simple, pero si miramos en su interior, cada molécula no solo avanza: también gira, como una diminuta peonza. Los físicos llaman espín a esta rotación propia de las partículas.

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.

Una gota de agua sobre la mesa parece tranquila, pero en su interior bulle una vida cuántica. Los protones de los átomos de hidrógeno son como pequeñas peonzas que giran sin cesar. Cada uno tiene su propia dirección de giro. En un campo magnético, estas peonzas se alinean, y si el campo comienza a oscilar, empiezan a 'bailar'.

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.

Dentro de un imán hay regiones donde todos los miniimanes atómicos apuntan en la misma dirección. Entre esas regiones hay una estrecha zona de transición donde la dirección de la magnetización gira suavemente. Esa zona se denomina pared de dominio. Antes se la consideraba sin masa: la empujabas y se detenía al instante.

La superficie del cristal del compuesto de uranio UTe2 se asemeja a un mar congelado: en algunos lugares los electrones se mueven libremente, en otros quedan atrapados cerca de los átomos. El microscopio de efecto túnel (un instrumento que sondea la superficie con una aguja afiladísima y detecta electrones individuales) mostró que este paisaje no es casual.

Un cristal del tamaño de media caja de cerillas se cultivó en un horno donde una zona fundida se deslizaba lentamente a lo largo de una varilla, dejando capas perfectamente ordenadas. Dentro de este cristal, los iones de cobre se asientan en los nodos de una red triangular, pero los triángulos están ligeramente torcidos, como si alguien hubiera presionado una esquina.

Si calientas un cristal, sus átomos empiezan a vibrar con más fuerza, como cuerdas tensadas más o menos. En el cristal LaCoO3 (un compuesto de lantano, cobalto y oxígeno), al calentarlo de 2 a 650 K ocurren dos reorganizaciones importantes: alrededor de 100 K cambia el estado magnético de los iones de cobalto, y alrededor de 550 K el material pasa de aislante a…

El entrelazamiento cuántico funciona como una correa: une las partículas, pero la longitud de esta atadura está estrictamente limitada. En una cadena de partículas, el calor hace el papel de un perro impaciente que tensa la correa: cuanto más calor, más corta es la distancia a la que aún se mantiene la conexión.

Los físicos tomaron 114 átomos de rubidio, los enfriaron a temperaturas cercanas al cero absoluto (como en los experimentos con helio líquido helio) y los colocaron cuidadosamente en un patrón de panal de abejas.

Las baldosas comunes forman un patrón repetitivo. Pero los átomos pueden hacer más: en ciertas condiciones, ellos mismos crean un mosaico complejo donde el diseño nunca se repite, como en los paneles de azulejos antiguos.

Tres átomos de iterbio cargados están dispuestos en triángulo dentro de una trampa electromagnética. Normalmente, todos se comunican entre sí, como tres personas en una misma mesa que no dejan de intercambiar comentarios. Pero si uno de ellos pasa a la habitación contigua, la conversación continúa entre los dos que quedan.

Un superconductor ordinario se parece a una fila de soldados marchando en parejas: los electrones se unen y sus espines (peonzas internas) apuntan en direcciones opuestas. El campo magnético voltea fácilmente esos pares, destruyendo la superconductividad. En UTe₂ todo es distinto.

Los imanes en este cristal se comportan como invitados en una fiesta donde todos quieren sentarse en la misma silla. Nadie logra acomodarse del todo, y de ese caos nace un estado especial. En él, el momento de espín (lo que convierte a cada electrón en un pequeño imán) logra recorrer 480 micrómetros.