espín

Una aspiradora succiona el polvo incluso si hay más cerca de la boquilla. Así ocurre en un tokamak: las partículas de plasma se concentran hacia el centro, aunque su densidad sea mayor en el borde. Este fenómeno se denomina pellizco de partículas y contradice la regla habitual de que todo tiende a moverse de las zonas densas a las menos densas.

En algunos cristales los electrones no están repartidos uniformemente, sino que se alinean formando un estricto tablero de ajedrez: en una casilla hay más electrones y en la vecina, menos. Ese patrón se denomina orden de carga y durante mucho tiempo se consideró algo estático, como el dibujo del hielo en un cristal.

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.

El armazón magnético del cristal EuMnSb2 recuerda a un andamiaje: los átomos de manganeso forman postes verticales rígidos, y los de europio, travesaños móviles. Hasta ahora no había consenso sobre el ángulo de inclinación de estos travesaños en reposo ni sobre cómo giran cuando el campo magnético presiona sobre el andamio.

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.

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.

El cristal se parece a una ciudad con diferentes calles: por unas, los coches circulan rápido y llegan lejos; por otras, van lentos y se atascan. En el material laminar CrPS₄, las ondas magnéticas que transportan el espín (el momento intrínseco de la partícula) se comportan igual.

Un imán se calienta lentamente. A baja temperatura, todas sus pequeñas flechas (los espines) apuntan en la misma dirección: eso es orden. A alta temperatura, se agitan caóticamente. Pero hay un punto especial, el crítico, donde el orden apenas desaparece y el sistema se queda congelado en la indecisión.

En una nube ultrafría de átomos, enfriada casi hasta el cero absoluto, aparecen regiones con diferente orientación de espín, como zonas con distinta magnetización. Los límites entre ellas se denominan paredes de dominio. Normalmente están inmóviles, pero en este experimento las paredes se pusieron en movimiento por sí solas.

Un átomo solitario de erbio yace sobre un sustrato de plata, y su espín —la rotación interna del electrón— almacena información cuántica. Antes, para invertir ese espín se necesitaba un pulso magnético: una herramienta tosca que afecta a los vecinos y trabaja lentamente. Ahora, físicos de Alemania y Corea han demostrado que basta con un voltaje eléctrico.

Una piedra lanzada contra una pared rebota. En el mundo cuántico, una partícula puede atravesarla como si la pared estuviera tejida de niebla. Eso es el efecto túnel cuántico: enciende las estrellas, funciona en los microchips e incluso en las células de nuestro cuerpo.

Un rayo láser se asemeja a un vorágine veloz que atrapa por un instante al electrón que pasa. Mientras la partícula atraviesa el pulso, su espín (una rotación intrínseca, como la de una diminuta peonza) sufre un leve empujón. Al salir del haz, la peonza ya no apunta en la misma dirección: se ha girado un poquito.

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.

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.

Cuando dos núcleos pesados chocan en un acelerador, nace una diminuta bola de fuego de plasma de quarks y gluones (un estado especial de la materia en el que los quarks y los gluones no están confinados dentro de las partículas). Esta se expande y se enfría, y las partículas que emergen a menudo resultan "giradas": sus espines se alinean a lo largo de la dirección del haz.

El intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y una reunión de una hora se convierte en dos. Una entonación equivocada cambia el significado hasta hacerlo irreconocible. Algo parecido le ocurre a la partícula con espín 3/2: el gravitino. No puede existir en solitario: su "discurso" debe estar perfectamente coordinado con el entorno, o toda la construcción se desmorona.

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.

La corriente sin pérdidas es el sueño de la energía. Algunos materiales se vuelven superconductores, pero normalmente solo a un frío extremo. Recientemente, en la familia de los niquelatos, compuestos a base de níquel, se han encontrado candidatos que funcionan a temperaturas más altas.

Un cable cuántico se parece a una autopista de alta velocidad por la que los electrones circulan en un flujo denso. Cada uno tiene su propia rotación, el espín, y hasta ahora se creía que separar ese flujo en dos carriles, uno para la rotación 'izquierda' y otro para la 'derecha', sin perder el orden cuántico, era casi imposible.

Una nube de átomos fríos está atrapada entre dos espejos. Se hace pasar luz a través de ella y los átomos comienzan a emitir colectivamente —este efecto se denomina superradiancia. Pero los átomos no solo "brillan": sus espines (las agujas magnéticas internas) interactúan con la luz de dos maneras diferentes.

Una cadena cuántica se parece a una guirnalda de luces, donde las bombillas son los espines de las partículas. En el caso ideal, todas las bombillas brillan sincronizadas, siguiendo un ritmo común: eso es la simetría. Pero si cortas un trozo de la guirnalda, el ritmo puede desajustarse: dentro del trozo, la simetría se rompe.

La corriente eléctrica ordinaria calienta los cables: cualquiera que haya tocado un cargador de teléfono lo sabe. Pero existe una corriente de otro tipo: en ella los electrones no corren en masa hacia un lado, sino que giran sincronizados, como patinadores en pareja. Ese giro coordinado se llama corriente de espín y casi no produce calor.

El anillo se ensambló a partir de varios segmentos diferentes. En cada segmento, las partículas se comportan a su manera, como músicos con diferentes notas. Lo más interesante ocurre en las uniones: aquí las partículas a menudo se quedan atascadas, como un eco atrapado en un pasillo estrecho. Este fenómeno se llama efecto piel: las partículas se acumulan en el borde, como una multitud en la salida.

El espacio no es vacío, sino un mosaico de celdillas diminutas. En la gravedad cuántica de bucles, la curvatura del espacio-tiempo se traslada de una lámina lisa a una red de «átomos» de volumen: las redes de espín. Cada nodo de esa red es un cuanto de espacio, y los enlaces entre ellos son cuantos de área.

En 2022, los físicos describieron un nuevo tipo de magnetismo: el altermagnetismo. En él, los electrones con diferente dirección de giro (espín) se separan en energía según la dirección de su movimiento, como corredores que en una pista aceleran y en otra frenan. Pero el espín no es el único grado de libertad de las partículas.

Los electrones en un sólido normalmente o corren libremente (metal) o están confinados en su lugar (aislante). Pero a veces la fuerte repulsión mutua los encierra en un estado a medias: las cargas se quedan quietas, mientras que los espines —pequeñas agujas magnéticas— siguen viviendo su propia vida. Esto se llama aislante de Mott.

Cada átomo en un imán es como una diminuta aguja de brújula. Estas agujas pueden girar en diferentes direcciones, y de su danza colectiva dependen las propiedades de todo el material. Pero calcular esta danza directamente, átomo por átomo, es una tarea titánica incluso para los superordenadores. El nuevo modelo, llamado STEP, asume el papel de director de orquesta.

Una escalera de caracol por la que ruedan canicas. Unas giran hacia la derecha, otras hacia la izquierda. Los peldaños están dispuestos de tal manera que las que giran a la derecha pasan más rápido, mientras que las de la izquierda se atascan. Algo muy parecido ocurre dentro de las moléculas helicoidales, como la doble hélice del ADN.

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 1915, Альберт Эйнштейн y Wander Johannes de Haas demostraron que al magnetizar una barra de hierro, esta gira ligeramente: el momento angular de los electrones se transfiere a la red cristalina.

Durante mucho tiempo, identificar fases cuánticas era como interrogar a un testigo: había que acceder a cada rincón del sistema para arrancarle su secreto. En la época de Landau, el orden se asociaba con la ruptura de simetría y un parámetro local, todo a la vista.

La búsqueda del mínimo global en el modelo de vidrio de espín de Sherrington–Kirkpatrick se asemeja al ascenso a un glaciar, donde cada grieta es un traicionero mínimo local, y el verdadero fondo está sepultado bajo el caos de bloques de hielo. Un alpinista clásico que sigue el gradiente casi con certeza se congela en la grieta más cercana.

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 la gran sinfonía del magnetismo reinó por mucho tiempo un dúo: el estridente ferromagnetismo y el silencioso antiferromagnetismo, donde los espines solistas se anulan entre sí. Pero recientemente se unió al conjunto una tercera voz: el altermagnetismo.

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 cristal que durante siglos se llamó 'oro de los tontos', los físicos vislumbraron un auténtico tesoro. El compuesto MnTe2 con estructura de pirita se convirtió en el escenario de un ballet cuántico: las ondas de espín se retuercen aquí en vórtices zurdos y diestros, y la dirección de giro está indisolublemente ligada al momento.

Crear un nodo de una red cuántica es como enseñar a un bailarín a equilibrarse sobre un hilo de carbono suspendido sobre un abismo. Un pie debe despegarse con facilidad, lanzando fotones mensajeros al mundo exterior. El otro debe aferrarse con firmeza a la cuerda, guardando la preciosa información cuántica.

Las fusiones de agujeros negros, predichas por Karl Schwarzschild, son la principal fuente de ondas gravitacionales captadas por los detectores LIGO. A lo largo de los años se han acumulado 259 eventos, cada uno es una historia cifrada del nacimiento de una pareja.