efecto hall térmico

Una delgada varilla de cobre de quince centímetros de largo se desliza lentamente a través de una burbuja magnética invisible creada por un par de bobinas. En el centro de la burbuja, donde el campo es uniforme y fuerte, la aguja del voltímetro marca cero. En cuanto se desplaza la varilla hacia el borde, la aguja cobra vida, crece, alcanza su pico y luego cae suavemente.

Si se hace pasar corriente por dos conductores soldados, la unión se calienta o se enfría: es el efecto Peltier, en el que se basan las neveras de los automóviles.

En una olla de sopa hirviendo, las pequeñas gotas de grasa flotan hacia arriba, mientras que los trozos pesados de verduras se hunden al fondo.

Una hoja de papel con propiedades magnéticas: así es aproximadamente el nuevo material 1T-CrS₂. Sus capas están unidas por fuerzas débiles, como las páginas de un cuaderno, pero cada capa es un imán de verdad.

Imagina una transición de fase cuántica como un baile complicado. Los electrones giran en orden estricto, y cada paso es su distribución espacial, mientras que el ritmo es la dinámica. Durante décadas, los físicos solo vieron un movimiento borroso, sin poder distinguir: ¿cambian las figuras o se acelera la música?

En el mundo de los materiales bidimensionales a veces nacen estados tan inusuales como frágiles. Uno de ellos — el cristal anómalo fraccionario de Hall (FAHC) — es como un centauro cuántico: mitad red ordenada, mitad líquido topológico.

Desde el Sol hacia la Tierra se precipita el viento solar, pero la magnetosfera desvía el flujo y esculpe con él colas de plasma.

Imagina un río en un rápido: la corriente se acelera hasta que ninguna ola puede ir contra la corriente. Así es el gas cerca de un agujero negro: al alcanzar la velocidad del sonido, se encierra a sí mismo — nace un agujero negro acústico, gemelo del abismo gravitacional.

Los rayos cósmicos no viajan en línea recta. Las partículas cargadas, aceleradas a velocidades enormes, serpentean en el campo magnético de la Galaxia como motas de polvo en una corriente de viento. Por lo general, se considera que simplemente se dispersan a lo largo y a lo ancho de las líneas de campo.

Una pila ordenada de capas atómicas descansa sobre un sustrato. Desde arriba incide un haz invisible de luz terahercio, y desde un lado se aplica un campo magnético. Al reflejarse, el haz gira ligeramente su polarización.

Un cristal de teluro se asemeja a una diminuta escalera de caracol: sus átomos están retorcidos en espiral. Cuando el calor corre a través de este cristal, no lo transportan los electrones, sino las ondas sonoras: las vibraciones de la propia red. Estas ondas no solo empujan hacia adelante y hacia atrás, sino que también giran alrededor de su eje, como una peonza lanzada.

Si calientas un clavo en una fogata, se alarga; eso lo sabe cualquiera. Pero si calientas solo la punta y dejas el otro extremo frío, el clavo no solo se hace más largo: se curva, porque el metal caliente se expande más que el frío. Esa misma curvatura, pero a nivel atómico, es lo que los físicos han convertido en electricidad.

Dos capas delgadas de un semiconductor se giraron una respecto a la otra en 2,29 grados, como dos hojas de papel transparente con rejillas dibujadas. Donde las líneas casi coinciden, aparece un gran patrón de manchas oscuras y claras. Los electrones en este patrón se comportan de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal ordinario.

Una batería de iones de litio se parece a un edificio de varias plantas donde en cada piso viven iones de litio. Cuando se carga la batería, los iones se mudan de un piso a otro, y todo el edificio se calienta un poco. Normalmente, ese calor se disipa de manera uniforme, como el de un suelo radiante. Pero a veces en un punto hace demasiado calor, y entonces todo el edificio puede arder en llamas.

Un cristal parecido a una pila de panqueques se colocó sobre un sustrato liso de óxido de magnesio. Se obtuvo una película de cientos de átomos de espesor. Cuando se hizo pasar corriente a través de ella y se encendió el imán, la resistencia aumentó casi una cuarta parte: un 22,5% con un campo de 9 teslas.

Un suelo de mosaico formado por muchas baldosas pequeñas, giradas en direcciones distintas. Parecería que cualquier patrón que intente atravesar ese suelo debería desordenarse y desaparecer. Así se piensa normalmente del desorden en los cristales: si los átomos no están alineados en una red perfecta, los efectos cuánticos sutiles deberían destruirse.

En un canal delgado de un semiconductor, los electrones no se comportan como individuos solitarios, sino como una multitud en hora punta. Chocan entre sí constantemente, y de esas colisiones depende con qué facilidad el calor y la corriente eléctrica atraviesan el material.

El láser golpea el cristal y este responde con destellos de luz, como una campana que suena al ser golpeada. Pero si la campana está caliente, su sonido tiembla y se apaga. Así ocurre aquí: los átomos del cristal vibran constantemente por el calor, y esa vibración impide que los electrones se muevan en línea recta, por lo que la luz sale tenue y borrosa.

En un cristal aislante, el calor normalmente se propaga del extremo caliente al frío. Pero si se activa un campo magnético, parte del flujo de calor se desvía hacia un lado, como el agua que, al deslizarse por una pendiente, se desplaza ligeramente hacia un costado cuando el viento la empuja. Este comportamiento se conoce como efecto Hall térmico.

Dos juegos de columpios que se balancean en direcciones opuestas no inclinan la plataforma. Sin embargo, su movimiento genera remolinos invisibles que empujan una pelota hacia un lado. Así se comportan los alternimanes: las agujas magnéticas de los átomos están completamente equilibradas, pero una simetría oculta curva el flujo de calor.

Si empujas calor a través de un trozo de cuarzo, normalmente va recto, como el agua por una tubería. Pero en cuanto enciendes un campo magnético, el flujo se desvía un poco hacia un lado, como si la tubería de repente tuviera una derivación lateral.

Normalmente, la corriente en un metal actúa como agua hirviendo sobre el hielo: calienta el material y destruye el orden magnético. Pero en una estructura laminar de ditelururo de wolframio y el ferromagneto Fe3GeTe2, la corriente se comporta de otra manera.

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.

Una capa delgada de semiconductor a baja temperatura se comporta como una cacerola con miel: los electrones no fluyen individualmente, sino como un líquido espeso. Si se hace pasar una corriente alterna a través de dicha capa, la resistencia responde con una curva suave.

El cristal cambia su geometría interna como el armazón de un edificio que se ladea ligeramente durante un terremoto.

Un láser potente impacta en un diminuto blanco, que al instante se convierte en una nube de gas incandescente: plasma. En esa nube nacen espontáneamente campos magnéticos. Actúan como manos invisibles que impiden que el calor escape libremente del centro caliente.

Dos capas de material magnético, giradas entre sí fracciones de grado, como dos rejillas ligeramente desplazadas en una ventana. En estado normal no producen nada especial, pero con un cierto ángulo de giro surge en el material un efecto inesperado.

Un material especial — un aislante topológico — conduce corriente solo por su superficie, como si el interior fuera un aislante perfecto. En él surge un efecto cuántico similar al que descubrió Klaus von Klitzing, pero matemáticamente es equivalente a un mundo tetradimensional.

Un trozo de oro no atrae clips. Pero si tomamos una película delgada de una aleación de gadolinio, oro y germanio y comenzamos a doblarla, pueden aparecer regiones magnéticas. Los científicos lo hicieron no con las manos, sino con un flujo de iones de helio que penetraba en el material a través de una máscara con patrones.

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'.

Un láser de electrones libres convencional se parece a un instrumento musical con una sola cuerda: solo puede tocar una nota hasta que se modifica su construcción. Para obtener otra longitud de onda, hay que reajustar los imanes o acelerar los electrones con más fuerza. Eso es caro y voluminoso.

Un hilo delgado de cristal α-Bi₄Br₄, una mezcla de bismuto y bromo, conduce la corriente no como un cable común. En su interior, la electricidad se mueve solo por los bordes, como agua por un canal sin tocar el fondo ni las paredes. Este comportamiento se llama aislamiento topológico: el interior no conduce, pero por la superficie o los bordes los electrones se deslizan sin pérdidas.

Una película delgada del compuesto de manganeso, bismuto y teluro se parece a un pastel de capas: cada capa es un plano atómico, y los momentos magnéticos dentro de la capa están alineados como las agujas de una brújula.

Un material magnético puede compararse con una multitud de pequeñas brújulas. En un imán normal, todas las agujas apuntan en la misma dirección, y girarlas todas a la vez no es tarea fácil. Los físicos han encontrado la manera de hacerlo con una corriente eléctrica.

En capas de telururo de molibdeno retorcidas bajo un cierto ángulo, los electrones se comportan de manera inusual: pueden dividirse en partes. Es como si un pastel entero de repente comenzara a cortarse en porciones exactamente iguales, aunque solo haya un cuchillo en las manos.

En el gas ardiente de partículas cargadas —el plasma— los campos eléctricos caóticos funcionan como un colador. La partícula lenta se rodea de una nube de cargas opuestas que atenúa el campo externo. La rápida se desprende de esa coraza y recibe un impulso.

La temperatura de una habitación baja varios grados mientras el refrigerador funciona sin un solo compresor en movimiento. Dentro no hay freón, sino un trozo de metal que se imana y se desimana.