skyrmión

En un cristal ideal de titanato de plomo, los átomos están alineados como soldados en una plaza de armas: todos los dipolos eléctricos apuntan en la misma dirección. Para girar esa formación 180 grados, según los cálculos antiguos se necesitaba una energía comparable a calentar el cristal hasta una temperatura de millones de grados.

En una sala donde bailaban parejas empezó a sonar otra música, y las parejas que estaban alineadas en filas se pusieron de pronto a girar como remolinos. Así reorganiza el cristal magnético Fe3Ge su patrón interno cuando la temperatura sube por encima de 375 kelvin, es decir, unos cien grados de calor.

En una sala donde bailaban parejas empezó a sonar otra música, y las parejas que estaban alineadas en filas se pusieron de pronto a girar como remolinos. Así reorganiza el cristal magnético Fe3Ge su patrón interno cuando la temperatura sube por encima de 375 kelvin, es decir, unos cien grados de calor.

Un vórtice en un disco magnético suele comportarse como una peonza grande: para que no se caiga, necesita una plataforma espaciosa y un campo propio fuerte que lo devuelva al centro. Pero, ¿y si reducimos la plataforma hasta el tamaño de un virus? Entonces el soporte habitual desaparece y el vórtice debería desmoronarse.

Un vórtice magnético se parece a un pequeño remolino en el mar, solo que en lugar de agua gira la magnetización. Estos vórtices podrían convertirse en celdas de memoria en las computadoras del futuro, pero para escribir y leer información hay que poder mover cada vórtice por separado. Hasta ahora se hace de forma burda: se desplaza todo el conjunto de una vez.

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.

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.

Dos láminas transparentes con círculos dibujados. Si se superponen exactamente, los círculos coinciden. Pero basta con girar ligeramente una lámina para que aparezca un nuevo patrón: en unos sitios los círculos se agrupan, en otros se separan. Así funciona más o menos el efecto muaré: un dibujo inesperado que surge al girar dos estructuras periódicas.

Un servicio postal donde los mensajeros de repente dejan de moverse. Parecería que las cartas dejarían de llegar y la comunicación entre ciudades se interrumpiría. Pero ¿y si los propios sobres adquirieran la capacidad de cambiar de forma y transmitir mensajes a través de una red común sin moverse del sitio?

Una linterna común emite luz cuyas ondas oscilan en todas las direcciones a la vez. Pero si se hace pasar la luz por un filtro especial, se obtiene un haz que oscila estrictamente en un solo plano: eso es la luz polarizada. Cuando este haz atraviesa un tejido biológico, la estructura interna de este modifica ligeramente la orientación de las oscilaciones.

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

Algunos materiales están estructurados internamente como una cinta de Möbius: sus estados electrónicos están retorcidos de una manera especial. Estas propiedades topológicas suelen intentar modificarse con un campo magnético potente, como si se intentara alisar la cinta con un mazo. Un grupo de investigadores ha encontrado una herramienta más sutil.

Los vórtices magnéticos de decenas de nanómetros son como pequeños tornados congelados en el metal. Se llaman skyrmiones y se comportan de forma sorprendentemente estable: son difíciles de destruir, pero fáciles de mover. Por eso los ingenieros los ven como las "celdas" ideales para la memoria del futuro: rápida, eficiente y resistente a fallos.

Dos partículas cuánticas están unidas por un hilo invisible: una pierde energía, la otra la gana, pero la reserva total no cambia. Si solo seguimos a la primera, sus oscilaciones no se amortiguan: el ritmo es constante, como el de un púlsar cósmico, aunque desde fuera parezca que crece la entropía, el caos.

Un peine pasado por el cabello atrae trocitos de papel. Este sencillo truco de física se ha decidido aplicar a nivel microscópico para controlar los vórtices magnéticos llamados skyrmiones.

Un vórtice magnético, o skyrmión, se parece a un pequeño remolino en el mar de los espines, los momentos magnéticos intrínsecos de los átomos. Como un embudo en un río, enrolla la magnetización a su alrededor, y este patrón resulta muy estable: es difícil destruirlo con una sacudida aleatoria.

El conductor gira el volante para que el coche doble. En el mundo cuántico también hay "volantes": parámetros externos que se cambian suavemente para trasladar partículas de un lugar a otro.

La llama de una vela tiembla con la corriente de aire, pero no se apaga: la lengüeta solo cambia de forma por un instante y vuelve. Más o menos así se comportan los skyrmiones ópticos — diminutos vórtices en el campo del haz, que recuerdan a remolinos de agua. Hasta hace poco, solo se obtenían en luz láser ideal y uniforme.

En una trampa de campos, los científicos ensamblaron un cristal — 150 iones a temperatura ultrabaja. Cada ion se comporta como un diminuto imán, capaz de girar en cualquier dirección. Controlando fuerzas que dependen de este espín, los físicos hicieron que todos los pequeños imanes se arremolinaran en un remolino común, llamado skyrmion.

El cristal se parece a un pastel relleno: capas de átomos de europio, galio y aluminio se alternan en un orden estricto. Normalmente, estos materiales no deberían sorprender por su magnetismo: son demasiado simétricos. Pero dentro de este cristal se han descubierto vórtices magnéticos, parecidos a pequeños remolinos, que se organizan en redes ordenadas.

Una cesta tejida con mimbre mantiene su forma gracias al entrelazado. Un patrón similar —triángulos unidos en una red plana— se ha descubierto en un nuevo cristal con fórmula Cs₃V₉Te₁₃. Aquí, los átomos de vanadio forman dos conjuntos de triángulos que se atraviesan mutuamente, como hilos en una tela.

En una capa fina de cristal líquido —una sustancia que fluye como un líquido, pero cuyas moléculas están ordenadas como en un sólido— nacen vórtices más pequeños que el grosor de un cabello humano. Estos vórtices se parecen a diminutas peonzas: pueden moverse sin desintegrarse y se comportan casi como partículas reales.

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.

El bismuto bidimensional sobre un sustrato de silicio es un material prometedor para la electrónica del futuro. Sus bordes conducen la corriente sin pérdidas, como una autopista de alta velocidad sin semáforos. Pero el bismuto es delicado: el aire y la humedad deterioran rápidamente sus propiedades.

Un haz de luz incide sobre una placa metálica con estructura cuadrada y en su superficie aparece un patrón de diminutos vórtices magnéticos, como ondas en el agua, pero congeladas y ordenadas. Estos vórtices se llaman skyrmiones y se comportan como peonzas que pueden girar en direcciones opuestas.

Dos diminutos vórtices magnéticos, llamados skyrmiones, navegan sobre una película delgada. Cuando se acercan, entre ellos no surge una simple atracción o repulsión, sino una alternancia de ambas: como si dos corchos en el agua se acercaran y se alejaran obedeciendo a una ola invisible.

Dentro de un trozo de material magnético, los espines de los electrones —pequeñas agujas magnéticas— suelen alinearse en patrones simples. A veces se enrollan en vórtices, como el agua en un remolino, y estos vórtices pueden anudarse.

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.

Una gota de tinta cae en un vaso de agua y, en lugar de una mancha uniforme, nace un anillo que comienza a girar. Así es más o menos el nacimiento de un skyrmión: la luz emitida por una fuente diminuta se enrolla en un vórtice estable. Hasta ahora, estos vórtices solo se obtenían con láseres grandes.

La materia oscura es cinco veces más masiva que la materia ordinaria, pero no emite luz. Su naturaleza es desconocida. Uno de los candidatos son los axiones, partículas ultraligeras. Pueden atravesar el planeta de lado a lado, casi sin notar los átomos.

Imagina un suelo de mosaico cuyo patrón nunca se repite, como el famoso mosaico de Penrose. En este suelo, las agujas magnéticas —los espines de los electrones— ejecutan una danza caótica, dando lugar a un líquido de espín cuántico.

Las computadoras cuánticas requieren memoria confiable. En el cristal de diamante — carbono — la información se almacena en la orientación de diminutas flechas magnéticas (espines) en defectos especiales. Leer esas flechas con luz era engorroso: la óptica resulta voluminosa para los chips. El nuevo método funciona como el revelado de una película fotográfica.

En el corazón de un superconductor, los electrones se fusionan en pares de Cooper y se mueven sin resistencia. Pero si en ese orden perfecto surge un vórtice, una diminuta región donde la superconductividad desaparece, aparecen allí excitaciones especiales: las cuasipartículas de Bogoliubov.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta donde las cuerdas y los vientos tocan en idiomas diferentes. Los superconductores procesadores operan con fotones de microondas en circuitos de centímetros, mientras que los cúbits de espín —por ejemplo, los centros…