corriente de espín

La habitación de los espejos curvos: usted está en el centro y el eco de su voz regresa desde una dirección inesperada, amplificado y distorsionado. Así también las ondas de espín en una película magnética delgada, excitadas por una antena, se reflejan en los defectos y las irregularidades y crean un enredo de campos.

Cada oscilador lleva su propia brújula, integrada en la red cristalina. Antes, los nanoosciladores de spin Hall, diminutas fuentes de microondas basadas en corriente de espín, no podían prescindir de un imán externo: era precisamente él quien fijaba el eje común en torno al cual oscilaba la imanación.

Una multitud en la entrada de un pasillo estrecho no se comporta igual que en una sala espaciosa: a algunos los aprietan contra las paredes, a otros los empujan hacia adelante. Algo parecido ocurre cuando una partícula alargada se encuentra en un líquido repleto de mancuernas automotrices.

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.

Por un camino estrecho avanzan dos caravanas en direcciones opuestas. Una es ancha y lenta, lleva la carga de la densidad. La otra, una hilera de carretas ligeras con corriente, se desliza entre las primeras. Así, en la descarga del magnetrón coexisten dos estructuras que giran en sentidos contrarios: la aguja de densidad y los filamentos de corriente.

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.

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.

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.

Un fino sándwich de dos materiales distintos. Se hace pasar una corriente eléctrica — y la capa superior se magnetiza en una dirección, mientras que la inferior lo hace en la opuesta. No es un truco, sino el efecto Edelstein de capas (del inglés layer Edelstein effect), que acaban de describir los físicos.

Cuando los físicos hacen circular electrones por un canal ultrapuro de arseniuro de galio a temperaturas de helio, esperan ver un líquido dócil, casi ideal.

En algunos cristales, los momentos magnéticos de los átomos oscilan coherentemente, como una ola en un estadio. Transporta espín sin corriente de cargas, sin calentar el material. Este flujo recuerda a un río invisible, silencioso y frío.

Una sopa hirviendo en una cacerola, pero cada grano no es solo un punto, sino una pequeña peonza que gira sobre su propio eje. Así es el mundo de las partículas con espín 1. Por ejemplo, algunos mesones de vida corta que nacen en colisiones en aceleradores.

Una goma elástica se estira y vuelve a su forma. Un resorte de acero se comprime y se expande. La elasticidad parece una propiedad de las cosas simples: un trozo de metal o una gota de gel. Pero los autores de este trabajo han mirado más allá. Han demostrado que el espín del electrón —su diminuta rotación propia— también puede ser elástico.

Un electrón que vuela a través de un gas se parece a un nadador que intenta cruzar una piscina muy concurrida. Cada colisión con un átomo cambia su rumbo y su velocidad. En el argón denso, hay tantas colisiones que la descripción simple deja de funcionar.

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.

Un electrón en un cable ordinario es como un mensajero que lleva a la vez el paquete y la firma del destinatario: su carga y su espín siempre van juntos. Pero si el cable se hace tan delgado como un solo átomo, el mensajero se siente apretado.

En la mayoría de los materiales magnéticos, la pared de dominio —el límite entre regiones con diferente magnetización— se mueve bajo la acción de una corriente en una dirección determinada por el sentido de la corriente.

Sobre la superficie del Sol cuelgan largas cintas de gas brillante: los streamers. Se asemejan a arpas gigantes tensadas en la corona. Cuando una onda recorre una de estas cintas, esta tiembla y se curva, como una cuerda después de un pellizco.

El agua de un arroyo no fluye en una capa uniforme: excava senderos sinuosos donde la corriente es más rápida. De manera similar se comportan los electrones en un motor Hall, un dispositivo que empuja una nave espacial con un chorro de plasma.

Los neutrinos son partículas diminutas que atraviesan la Tierra casi sin notarla. En el experimento MicroBooNE se capturan en un tanque de argón líquido. Cuando un neutrino choca con un núcleo de argón, se producen un electrón y protones, como salpicaduras de una piedra lanzada al agua.

El núcleo de deuterio, o deuterón, puede imaginarse como una peonza microscópica. Si la distribución de cargas en su interior no es perfectamente simétrica, en un campo eléctrico externo esa peonza sufre una diminuta inclinación de su eje de rotación.

En un cable ordinario, el calor arrastra electrones: es el efecto Seebeck, conocido por los termopares. Pero en los imanes es más complicado: allí los portadores de corriente también tienen espín, es decir, su propio 'peonza'.

Cada electrón es como una peonza: gira sobre su propio eje. A esa rotación se la llama espín. En la electrónica convencional no se usa el espín, solo la carga. Y es una lástima: si aprendemos a controlar el espín, los chips serán más rápidos y eficientes.

Una onda ordinaria en un imán se parece a las ondas en el agua: cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es su energía. Los físicos llaman a estas ondas magnones. Pero en una fina película de granate de bismuto e itrio se han logrado crear ondas con un comportamiento inverso: su energía disminuye al reducirse la longitud de onda. Son los antimagnones.

Una esfera metálica es una trampa para ondas de luz. Al reflejarse en las paredes, se combinan en oscilaciones congeladas, como crestas en un estanque que detuvieron el tiempo. Para cada uno de estos patrones (modos), las ecuaciones de Maxwell imponen una frecuencia estricta.

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.

A 78 K, el cristal de Mn₃Si₂Te₆ se convierte en una bobina de inductancia que no necesita ni alambre de cobre ni superconductor. Los electrones en su interior se organizan espontáneamente en vórtices cerrados con una dirección de rotación definida: corrientes orbitales quirales.