efecto Compton

Los rayos gamma son la luz más energética del universo. Pero una parte de ellos, de energía intermedia, permaneció invisible durante mucho tiempo: los instrumentos no podían captarlos, y en el cielo quedaba un vacío. Los científicos lo llaman el 'hueco del MeV', por la unidad de energía que transportan estos rayos.

Un láser golpea un átomo y arranca un electrón. Cuanto más brillante es la luz, más fuerte es el empujón y más rápido sale el electrón. Así funciona la imagen habitual, donde la luz es una onda uniforme. Pero, ¿y si la luz no es uniforme, sino 'comprimida', con fluctuaciones cuánticas, como el temblor de una cuerda?

Dos piedrecitas caen al agua a cierta distancia. Las ondas que generan corren una hacia la otra y en algunos lugares se cancelan: el agua queda lisa, aunque cada piedra por separado habría creado ondas. Algo parecido hace un par de fotones (partículas de luz) nacidos en el mismo cristal y que vuelan en direcciones opuestas.

Un destello de rayos X atraviesa la materia en milmillonésimas de segundo. Para recordarlo, los físicos hacen que los átomos absorban brevemente esa luz y luego la liberen. Pero recuperar un fotón bajo demanda es como sacar el libro correcto de un armario cuyas estanterías se mueven solas.

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. De manera similar, los cuerpos masivos generan ondas gravitacionales, solo que aquí es el propio espacio el que oscila. Hasta ahora, estas ondas se han detectado con enormes detectores: estos se estremecen ligeramente cuando una onda los atraviesa. ¿Y qué ocurre a nivel microscópico, dentro de un diminuto trozo de materia?

El electrón no es solo un punto. Es una nube de probabilidad extendida en el espacio. Cuando esta nube choca con un intenso pulso láser, puede emitir un fotón de alta energía: un cuanto gamma. Y este fotón puede no ser ordinario, sino retorcido, como un sacacorchos, portando momento angular orbital.

Un farol brillante en la niebla densa parece tenue, mientras que una lucecita débil en el aire transparente se ve a un kilómetro. Una rareza parecida dejó perplejos a los astrofísicos hace casi medio siglo.

Una piedra lanzada al agua se expande en círculos. Una onda gravitacional es una ondulación similar, pero en el espacio-tiempo. La produce, por ejemplo, la fusión de dos agujeros negros. En la física clásica, esta ondulación es eterna: una vez creada, viaja por el universo sin atenuarse.

Hace mil años, los vikingos llevaban espato de Islandia al mar. El cristal semitransparente dividía la luz en dos rayos. Por su brillo, incluso en la niebla, podían encontrar el sol. La birrefringencia —término físico para este fenómeno— ahora ayuda a cazar la fuerza más esquiva del cosmos.

Cuando una estrella se acerca demasiado a un agujero negro supermasivo, suena un réquiem cósmico: un evento de disrupción de marea. Gracias a la fotometría y la espectroscopia, los astrónomos distinguen cada instrumento de esta orquesta.

Cada aniquilación de un positrón se asemeja al nacimiento de una pareja de bailarines, unidos por un hilo invisible de polarización. Dos rayos gamma se separan, pero sus estados permanecen entrelazados: medir uno determina instantáneamente al otro, como si la pareja sintiera cada movimiento sin importar la distancia.

Una fina película de un cristal especial, como el disulfuro de molibdeno, reposa sobre la platina del microscopio. La temperatura es ligeramente superior a aquella en la que el material se vuelve superconductor.

La onda luminosa nunca es perfectamente lisa: la agita continuamente un rizado cuántico. Estos tirones casi invisibles fueron estudiados por el premio Nobel Roy Glauber, quien sentó las bases de la óptica cuántica. Ahora los físicos han aprendido a congelar este rizado.

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.

Un surfista se desliza sobre la superficie del océano hasta que llega una gran ola, y entonces sale disparado hacia adelante. De manera similar, un electrón libre interactúa con la luz: normalmente el intercambio de energía es apenas perceptible, pero si el medio circundante comienza a cambiar rítmicamente, cada cresta de la onda empuja a la partícula con más fuerza.

Echas un puñado de fósforo en silicio y, a cierta concentración de impurezas, el material de repente empieza a conducir la corriente. Esta es la transición de fase metal-aislante, y ocurre de manera abrupta. Pero, ¿qué cambia exactamente en las funciones de onda de los electrones cuando un aislante se convierte en metal?

Una manguera contra incendios golpea un ventisquero. El agua no solo empuja la nieve: en el punto de impacto se producen salpicaduras, vapor y estruendo. De manera similar se comportan los chorros — estrechos haces de materia que salen de las cercanías de un agujero negro a gran velocidad.

La luz incide sobre un cristal y arranca un electrón de su lugar legítimo. Queda un vacío: un hueco que se comporta como una carga positiva. El electrón y el hueco se atraen y giran uno alrededor del otro, como una pareja en un baile lento. A este par se le llama excitón (de la palabra «excitación»). Pero este baile no ocurre en el vacío.

Entender el efecto fotoeléctrico —cuando la luz arranca electrones de un material— es como aprender a cocinar sin receta. Las herramientas digitales vienen al rescate: los juegos dan intuición, las simulaciones, precisión.

La cosmología atraviesa una fractura tectónica. Las supernovas calibradas con cefeidas, medidas por el equipo de Adam Riess, indican una velocidad de unos 73 km/s por megapársec.

Una carga que se mueve con aceleración normalmente emite luz — es un hecho cotidiano. Pero los físicos han descubierto que si la carga se desliza por una trayectoria especial, su radiación se comporta de manera diferente.

A la luz le gusta la simetría: en un canal abierto fluye igual en ambas direcciones. Para dirigirla hacia uno solo, los físicos suelen usar imanes. Un nuevo enfoque prescinde de ellos, empleando la rotación —a la velocidad de un disco de vinilo— y la interferencia de dos átomos.

Un detector común de fotometría no distingue un fotón izquierdo de uno derecho. Pero en cuanto empieza a moverse, todo cambia. Un barquero rema entre dos flautistas que tocan la misma nota. Su oído está ajustado estrictamente a ella y es sordo a todas las demás alturas. Debido al movimiento, la melodía delante se vuelve más aguda y la de detrás más grave.

La luz es un flujo de fotones. En una guía de luz especial, que recuerda a un estrecho pasillo, un átomo «guardián» normalmente los deja pasar uno a uno. Este fenómeno es estudiado por la espectroscopia de partículas individuales.

Si tiras una piedra a un estanque, se forman ondas que se expanden en todas direcciones. Ahora imagina que el estanque se convierte de repente en gelatina, y lo hace instantáneamente, más rápido de lo que tarda la onda en completar una cresta.

En un fino sándwich de semiconductores, la luz crea pares: un electrón y un hueco positivo que se mantienen unidos como una pelota atada a una goma elástica. Normalmente, estos pares, los excitones, emiten luz rápidamente y desaparecen. Pero hay otros, los oscuros, que viven cientos de veces más porque su estructura interna les impide ceder energía al exterior con facilidad.

La luz solar incide sobre una oblea de silicio y en el circuito aparece una corriente. Es el funcionamiento habitual de una célula fotoeléctrica: la luz expulsa electrones y la unión p-n (la frontera entre dos capas con distinta conductividad) los obliga a moverse en una dirección.

Una piedra cae en un estanque y por el agua se expanden círculos. Rebotan en la orilla, se superponen, se apagan. Todo ese movimiento se despliega en el espacio. Pero, ¿qué ocurriría si el propio estanque cambiara por un instante su profundidad o densidad, no en un punto, sino en todas partes a la vez?

Un carrusel de luz no hace girar a personas, sino a electrones. En lugar de caballitos de madera, hay aspas invisibles hechas de luz. Ese es el «carrusel» que han construido los físicos para dar rotación a los electrones. Normalmente, para enrollar un haz de electrones en un vórtice se necesita una máscara diminuta: una plantilla con ranuras tallada a escala atómica.

Una linterna brilla a través de una niebla espesa. La luz se dispersa en las gotas de agua y la linterna se ve borrosa. Alrededor de un agujero negro ocurre algo parecido: un gas caliente, como una niebla, lo envuelve, y los rayos X de las partes internas del disco se abren paso a través de esa nube. Solo que aquí las «gotas» son electrones, y la «niebla» en sí se llama corona.

La luz, descubierta por Maxwell, se comporta de manera diferente en distintos medios. En un nuevo estudio se modeló un cristal bidimensional que absorbe luz y tiene propiedades magnéticas.

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.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor está suspendida en el aire, como una sábana tensada. Por ella corren ondas de calor: vibraciones de átomos que los físicos llaman fonones. Antes se pensaba que estas ondas se disipaban rápidamente debido a la fuerte interacción, y que el calor se transmitía mal.

La luz en un anillo de fibra óptica normalmente se apaga en unos cientos de microsegundos. En cada vuelta, parte de la energía se pierde y el pulso se debilita. Pero los físicos han ideado cómo impulsar la luz en cada vuelta: a lo largo de todo el anillo añadieron amplificación, que actúa como un viento a favor para un corredor.

La luz que emite un átomo no es solo un destello: lleva la huella del estado en que se encontraba el átomo en el momento de la emisión. Los físicos tomaron un qubit superconductor —un átomo artificial del tamaño de un microchip— y lo hicieron brillar en una guía de ondas abierta, como una bombilla en un pasillo largo.

Un punto cuántico del tamaño de un virus, aprisionado entre espejos, con un destello breve de luz engendra dos fotones. Estos fotones salen en pareja y sus polarizaciones —las direcciones de oscilación de las ondas— están ligadas de tal modo que, si conoces una, al instante sabes la otra.

Cuando la luz arranca un electrón de un átomo, este sale disparado como una pelota lanzada entre la multitud. Los científicos llevaban tiempo queriendo saber en qué momento exacto cada electrón abandonaba el átomo, pero la medición directa interfería con el propio proceso. Ahora los físicos han propuesto un método que utiliza un segundo destello de luz para «fotografiar» el momento del nacimiento del electrón.

La luz de un láser es como una fila perfectamente alineada de soldados en un desfile: todas las ondas oscilan en el mismo plano. Esa luz se llama polarizada. En el nuevo trabajo, los físicos obtuvieron por primera vez rayos gamma polarizados al hacer colisionar electrones con un potente pulso láser.

En el cristal de un superconductor, a veces los electrones se organizan en ondas de carga, como ondas en el agua, pero hechas de partículas. Unas ondas se extienden a lo lejos, otras viven solo en tramos cortos. Los científicos tomaron el material YBa$$_2$$Cu$$_3$$O$$_{6.67}$$ y lo golpearon con pulsos cortos de rayos X para distinguir ambas ondas.

La clave secreta en la comunicación cuántica se transmite mediante fotones individuales. Es imposible espiar ese canal: cualquier intento de interceptación destruye la partícula y deja rastro. Pero la idea tiene un punto débil: el hardware real, que a veces se comporta de manera distinta a lo que dicta la teoría.