dicroísmo circular magnético de rayos X

La luz que nace cuando un electrón rápido penetra en un material suele considerarse igual en todas direcciones. Pero en cristales donde las propiedades ópticas dependen de la orientación, no es así. Pasa la mano sobre el terciopelo: en un sentido es suave y brillante, en el otro, oscuro y áspero. Del mismo modo, un cristal reacciona a la luz de manera distinta según cómo esté orientado.

El escultor modela montañas con campos magnéticos y calor, pero la piedra se resiste. Una estrella de neutrones —remanente ultradenso de una explosión de supernova— en un sistema binario transfiere materia desde su estrella compañera.

El cristal Mn₂Mo₃O₈ se parece a una diminuta ciudad donde los átomos de manganeso están alineados en un orden estricto: sus momentos magnéticos (pequeñas flechas internas) apuntan hacia arriba y hacia abajo de manera alternada. Este estado se denomina altermagnetismo colineal.

Mayo de 2022. El polarímetro espacial IXPE, el espectroscopio NuSTAR y el monitor NICER apuntaron sincrónicamente a un mismo punto del cielo: el agujero negro en el sistema Cygnus X-1, donde orbita alrededor de una evolución estelar en un estrella binaria cercano con un período de 5.6 días.

El dicroísmo circular magnético de rayos X es una herramienta precisa que desde hace tiempo permite separar los momentos magnéticos de espín y orbitales. Sin embargo, el enfoque clásico se asemeja a evaluar una orquesta por el volumen: se basa en reglas de suma que reducen toda la estructura fina del espectro a un par de integrales.

Un potente láser golpea un diamante como un martillo de forja, pero el yunque es la propia materia. El impacto dura un instante, pero genera una presión un millón de veces superior a la atmosférica. Los físicos han soñado durante mucho tiempo con asomarse a ese instante y ver cómo los átomos se reorganizan bajo la embestida.

Un océano que impregna todo el espacio permanece invisible para nosotros. Ese océano es la materia oscura, y las olas en su superficie son partículas llamadas axiones. Son tan ligeros y escurridizos que atraviesan la Tierra sin siquiera notarla.

Dos láminas finísimas, cada una de un solo átomo de grosor, se colocan una sobre otra y se giran ligeramente. Como dos hojas de papel de calco de colores: mientras están alineadas, la imagen es una, pero en cuanto se gira una, aparece un patrón muaré. Aquí, claro, el patrón no se ve a simple vista, pero cambia por completo la forma en que el material interactúa con la luz.

Las estrellas de neutrones son restos superdensos de estrellas, donde la materia está comprimida al límite descrito por Subrahmanyan Chandrasekhar. Los magnetares son una variedad con un campo magnético un cuatrillón de veces más fuerte que el terrestre.

Un aparato de rayos X con rejillas no toma una, sino tres imágenes a la vez: una radiografía normal, un mapa de las curvaturas invisibles del haz y una imagen de las microestructuras que dispersan la luz. Juntas permiten detectar, por ejemplo, enfisema o fibrosis pulmonar. Pero hay un inconveniente: para separar esas tres capas se necesita un truco matemático.

Una película delgada para una batería solar o una pantalla es como una multitud apretada en una plaza: cada persona está girada hacia un lado, y de hacia dónde miran todos depende si la luz atraviesa la multitud o se queda atascada. En la electrónica orgánica, el papel de los transeúntes lo juegan las moléculas.

El análisis de fluorescencia de rayos X convencional funciona como un escriba meticuloso: para conocer la composición de un cuadro, recorre cada centímetro cuadrado y anota en su registro si hay plomo o cobre. Para una lámina plana es tolerable, pero para un objeto volumétrico es un suplicio.

Cuando se comprime materia hasta presiones de millones de atmósferas y se calienta a miles de grados, deja de ser ni sólido ni gas. Es un estado denso y caliente, como en el interior de los planetas gigantes o en el momento del impacto de un meteorito. No se puede mirar directamente, pero se puede iluminar con rayos X y observar cómo los rayos se dispersan en los electrones.

Las fibras en compuestos, papel o tejidos biológicos suelen estar ocultas a la vista, pero su orientación determina la resistencia y las propiedades del material. Antes, para ver las direcciones de las fibras, había que tomar muchas imágenes desde ángulos distintos y reconstruir una imagen tridimensional, como si se cortara una barra de pan en rodajas finas.

El cristal de fosfato de litio y cobalto se asemeja a un tablero de ajedrez, donde las casillas negras y blancas son regiones con direcciones opuestas de los momentos magnéticos de los iones de cobalto. Estas regiones se denominan dominios antiferromagnéticos y, hasta ahora, no era fácil verlos: los métodos convencionales requerían equipos sofisticados o dañaban la muestra.

En un trozo de óxido de manganeso de unos pocos átomos de espesor, los electrones se comportan como una multitud en una escalera mecánica: cada uno se mueve según sus propias reglas, pero juntos crean un flujo común. Los físicos dirigieron rayos X blandos sobre esa película y expulsaron electrones hacia afuera.

Si acercas un clavo de hierro a un imán, se sentirá atraído. Dentro del imán, las diminutas agujas magnéticas de los átomos apuntan en la misma dirección, como soldados en formación. Pero en algunos cristales la formación es diferente: las agujas vecinas apuntan en direcciones opuestas. Ese orden se llama altermagnetismo y es difícil de ver directamente.

En invierno, los charcos se congelan y el hielo agrieta el asfalto. Dentro de una célula viva, al congelarse ocurre algo parecido: los cristales de hielo rompen su membrana. Para evitarlo, se impregna la célula con una solución especial, como un anticongelante para el coche.

Las estrellas de neutrones son restos superdensos de supernovas del tamaño de una ciudad. En los años 1930, Fritz Zwicky propuso su existencia, y más tarde Jocelyn Bell Burnell descubrió los púlsares, estrellas de neutrones que giran rápidamente.

Durante trece años seguidos, el observatorio espacial Swift registró la «respiración» de rayos X del púlsar GX 301-2. Cada pocos minutos, el instrumento BAT medía cuánta radiación dura llegaba de esta pareja: una estrella de neutrones y su masiva compañera. Si se superponen todos los registros en una sola gráfica, no se ve una línea plana, sino ondas: el brillo sube y baja.

Una película de óxido de rutenio es como la película de una burbuja de jabón estirada sobre un marco, pero hecha de átomos. Durante mucho tiempo se creyó que en esta película los átomos de rutenio se ordenaban magnéticamente, como agujas de brújula apuntando en direcciones opuestas.

Un imán de nevera se sostiene gracias a diminutas agujas internas, cada una como una brújula en miniatura. Si golpeas el metal con un destello de luz ultracorto, esas agujas empiezan a agitarse caóticamente y el magnetismo se derrite en una millonésima de milmillonésima de segundo. Antes, ese 'derretimiento' era demasiado rápido para poder verlo.

Una célula no se limita a reposar sobre una superficie: la palpa, la estira y la empuja. Hasta ahora, los instrumentos solo detectaban fuerzas directas: cuánto presiona o estira la célula su soporte. Pero si tomas una célula por los "hombros" y la giras ligeramente, ella responde retorciéndose, y ese giro, hasta hace poco, nadie lo había medido.

Una radiografía se parece a una fotografía tomada en la oscuridad con un flash muy breve: todo lo que se mueve sale borroso. Los detectores de rayos X habituales son grandes matrices de millones de píxeles, y mientras leen un fotograma, el siguiente ya se ha perdido. Para una turbina en rotación o un corazón latiendo, esa lentitud es una sentencia.