polarización de espín

Dos depósitos de tinta se encuentran a ambos lados de la unión celular. De ellos fluyen hacia la membrana dos tipos de monómeros que, al encontrarse, forman gotas viscosas de complejos. Las gotas apenas se mueven, mientras que los monómeros libres se desplazan rápidamente, como moléculas de perfume en una habitación.

El campo magnético suele actuar como un estricto controlador de tráfico: para que el calor se convierta en electricidad, debe colocarse de través en el camino. Si el campo se alinea con el flujo de calor, el efecto desaparece, o al menos así se creyó durante décadas.

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.

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.

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.

En la pared, franjas claras y oscuras. Así es la luz que se cancela a sí misma. Ya en el siglo XVII, Christiaan Huygens supuso que la luz es una onda. Pero solo los experimentos de Arago y Fresnel a inicios del XIX demostraron que dos haces producen esas franjas únicamente si sus vibraciones están en el mismo plano.

Una molécula polar se parece a una pesa diminuta con cargas distintas en sus extremos. Normalmente, estas partículas se pegan o se separan rápidamente al encontrarse: las fuerzas eléctricas son demasiado fuertes. Pero los autores del trabajo encontraron la manera de convertir esa agresividad en un juego controlable.

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.

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.

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 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.

Cuando un electrón y su antipartícula —el positrón, predicho por Dirac— se encuentran, forman fugazmente un positronio: un minúsculo par que orbita uno alrededor del otro, como en un átomo pero sin núcleo. Casi de inmediato se desintegra, emitiendo dos fotones que quedan misteriosamente vinculados.

La electrónica tradicional opera con la carga, pero la espintrónica y la naciente orbitrónica sueñan con añadir al juego el giro intrínseco de las partículas.

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.

Una escalera de caracol marca el ritmo de los pasos: si un flujo de personas sube por ella, su movimiento se enrolla inevitablemente. Algo parecido ocurre en las moléculas helicoidales, como el ADN o algunas proteínas. Cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de una molécula así, los electrones no viajan en línea recta.

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.

Tres bailarines se mueven como un solo ente: cada uno siente a los demás, y la armonía global no se reduce a las interacciones individuales. Así se comportan aproximadamente tres partículas creadas en el choque de un electrón y un positrón a la velocidad de la luz. Son el quark top, su antipartícula y el bosón Z.

Dos dados yacen en habitaciones diferentes. Si entre ellos hay «entrelazamiento», lanzar uno determina instantáneamente el resultado del otro, incluso a distancia. En el mundo cuántico, esta conexión se llama dirección (steering): un lado, al realizar mediciones en su propio sistema, parece dictar el estado a su compañero.

Cualquier instrumento de medición se ve afectado por el ruido cuántico — el temblor caótico de las partículas elementales. Para dominarlo, los físicos aplicaron a moléculas de fluoruro de calcio un truco similar a apretar un globo: presionas en un lugar y sobresale en otro.

Se hace pasar corriente a través de un resorte de moléculas orgánicas y, a la salida, casi todos los electrones giran en la misma dirección. Este truco se conoce como selectividad quiral de espín y durante mucho tiempo ha desconcertado a los físicos.

Dos equipos tiran de una cuerda con la misma fuerza en direcciones opuestas: la cuerda no se mueve, la fuerza total es cero. Así se comportan muchos antiferromagnetos: los momentos magnéticos de los átomos están alineados en direcciones opuestas y se cancelan mutuamente.

En el interior de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los núcleos atómicos se fusionan en largos filamentos y láminas planas. Los astrofísicos llaman a estas estructuras fideos nucleares. En su superficie, la densidad de la materia cae casi a cero, como si emergieras de un denso gel al aire enrarecido.

Dos fotones entrelazados se separan en direcciones opuestas, pero siguen comportándose como un todo: la medición de uno determina instantáneamente el estado del otro. Esto es el entrelazamiento cuántico. Sin embargo, a veces se parece a un espía experimentado: no deja rastros visibles en una inspección ordinaria.

La pista de baile está llena de parejas que giran en un vals. Normalmente, los compañeros se mueven en direcciones opuestas: uno da un paso hacia adelante, el otro hacia atrás, para mantener el ritmo común.

El cristal La3Ni2O7 se asemeja a un pastel en capas, donde el relleno de átomos de níquel y oxígeno se alterna con capas de lantano.

En un trozo de imán ordinario, todos los espines electrónicos —las diminutas agujas magnéticas— apuntan en la misma dirección. Es una fila de soldados mirando al frente. Ese orden se llama altermagneto colineal.

Una cuchara caliente en una taza de té: el calor corre por el metal desde el extremo caliente hasta el frío. En los libros de texto, este proceso se describe como el temblor de los átomos que se transmiten empujones entre sí. Pero los átomos no solo tiemblan: también giran, como pequeñas peonzas. Hasta ahora, los físicos no tenían un lenguaje común para describir ambos movimientos a la vez.

La colisión de partículas a gran velocidad produce una lluvia de nuevas partículas. Entre ellas se encuentran los antiprotones, gemelos de los protones ordinarios, pero con carga opuesta. Cada una de estas partículas tiene su propia rotación, como una pelota de tenis lanzada con efecto. Pero si los antiprotones nacen con espín, nadie lo ha comprobado hasta ahora.

Alrededor de las estrellas jóvenes giran discos de gas y polvo: el material de construcción para futuros planetas. Dentro de estos discos, los granos de polvo no vuelan al azar: se alinean a lo largo de líneas invisibles por donde fluye el gas.

El agujero negro Cygnus X-1 es uno de los más estudiados de nuestra galaxia. Está en un sistema binario con una estrella normal y le arranca materia. El gas se arremolina en un disco brillante, como el agua en un remolino, y sobre el disco flota una corona sobrecalentada: una nube de electrones a temperaturas de cientos de millones de grados.

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.

Para alinear los espines de las partículas en una misma dirección, los físicos suelen enfriar la sustancia casi hasta el cero absoluto y colocarla en un campo magnético intenso. Esto es caro y voluminoso. El nuevo método se asemeja a ajustar una multitud de peonzas con un toque ligero: las moléculas intermediarias se unen temporalmente a los átomos objetivo y les transmiten su orden.

Un imán de nevera se mantiene pegado porque en su interior las diminutas agujas atómicas están alineadas en una misma dirección. Pero la mecánica cuántica hace que estas agujas tiemblen, y la magnetización total se vuelve menor que la ideal.

Un haz de luz con polarización circular incide sobre un cristal de perovskita MAPbI3. Los electrones dentro del cristal comienzan a comportarse como pequeñas peonzas cuyos ejes se alinean a lo largo del haz. Este fenómeno se conoce como orientación óptica de espines.

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.

Un diapasón emite un sonido sordo ante una grieta. Un principio similar se aplica en el experimento: los físicos convirtieron moléculas en un diapasón ultrasensible para escuchar la asimetría del electrón.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta que antes de cada pieza debe afinar sus instrumentos. La afinación lleva tiempo y exige silencio —en nuestro caso, frío profundo. Para los chips de silicio con átomos de boro, esa afinación suele hacerse con microondas, lentamente y solo a temperaturas inferiores a 2 kelvin (menos 271 grados Celsius).

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.

Un rayo láser incide sobre un cristal brillante y regresa transformado: ligeramente desplazado en color, con otra polarización. En un campo magnético, esa metamorfosis de la luz se vuelve especialmente notable.

Dos fotones, como las dos caras de una misma moneda, se separan decenas de kilómetros, pero permanecen conectados: si mides uno, conoces al instante el estado del otro. Esta propiedad se llama entrelazamiento y es la base de la comunicación cuántica.