condensado

Tres voces que se funden en un solo acorde. En la física de materiales cuánticos, esta imagen cobra un sentido literal: tres capas de grafeno, separadas por finos espaciadores, hacen que electrones y huecos de distintas capas se muevan como un único líquido.

En los cristales, nos fascina el orden espacial perfecto: los átomos quietos en los nodos de la red, como cuentas en un hilo invisible. Pero, ¿y si esa misma simetría se manifestara en el tiempo? Los cristales temporales son sistemas que, sin ayuda externa, comienzan a repetir sus estados cíclicamente, como relojes a los que da cuerda la propia naturaleza.

En matemáticas existe un tamiz que no cierne polvo, sino el infinito mismo. Se llama Q-espacio: aquí cualquier conjunto resulta ser un conjunto Gδ — intersección contable de abiertos, como tamizado a través de una red de malla increíblemente fina.

Un átomo solitario de potasio cae en una nube densa de átomos de sodio enfriada casi hasta el cero absoluto. Este medio se llama condensado de Bose-Einstein: todas las partículas se funden en una única onda cuántica. Cabría esperar que la impureza simplemente eligiera a un vecino y formara un par. Pero el experimento mostró algo distinto.

Dentro de cada célula hay una construcción continua: las moléculas se agrupan y se separan constantemente. A veces forman gotas densas, como aceite en agua, pero sin membrana. Estas gotas funcionan como almacenes temporales: aquí se guardan proteínas, copias de genes o herramientas para reparar el ADN.

En el mundo cuántico, las partículas pueden fusionarse en un único líquido que fluye sin fricción. Una de sus formas más enigmáticas es el líquido cuántico fraccionario de Hall. En él, los electrones o átomos se mueven como un vórtice único, y su carga se divide en fracciones, como un pastel cortado en porciones perfectamente iguales.

Una olla de agua siempre hierve igual: a cien grados, y salen burbujas. Con los líquidos cuánticos es distinto. Cuando una nube de átomos se enfría casi hasta el cero absoluto, puede convertirse en una única onda de materia: el condensado de Bose-Einstein.

El agua común agua se congela como se espera. Pero a veces, la caliente se convierte en hielo más rápido que la fría: el efecto Mpemba. Recientemente, se encontró una violación similar de las reglas en el entrelazamiento cuántico, esa conexión invisible entre partículas descubierta por Erwin Schrödinger.

Un cristal de tiempo se asemeja a un reloj eterno: sus átomos realizan movimientos rítmicos por sí mismos. En un reloj normal, un resorte o una pila empuja el péndulo, pero aquí el movimiento surge sin aporte de energía: el sistema simplemente vuelve a su estado inicial a intervalos regulares. Esta idea fue propuesta por Frank Wilczek en 2012.

En una orquesta, un músico toca tan suavemente que su sonido apenas se percibe en el coro general. En el mundo cuántico, estos estados "silenciosos" se denominan oscuros: su energía apenas escapa al exterior, como la luz en una habitación a oscuras. Pero si hay muchos músicos, su influencia mutua puede despertar inesperadamente incluso al más callado.

Esparce un puñado de monedas sobre la mesa. Cada moneda es un resultado posible: cara, cruz o algo más. Si sabemos cuán caótico es este conjunto (su entropía), ¿qué combinaciones de probabilidades encontraremos con más frecuencia? Resulta que la respuesta depende de cuánto caos permitamos.

En el helio superfluido, la fricción desaparece: el líquido fluye como un arroyo de montaña, pero sin un solo remolino. Un breve pulso láser agitó esta superficie y los científicos, con ayuda de la espectroscopía, captaron las ondas que se propagaban: ondas cuánticas con muchas velocidades.

Acaban de dejar de remover una olla de agua: los remolinos y torbellinos se van calmando poco a poco y el líquido se vuelve liso. Un proceso similar, pero en el mundo cuántico, ocurre en el helio superfluido o en una nube de átomos ultrafríos.

Una multitud de personas de repente empieza a moverse como una sola persona. En física, esto ocurre con los espines atómicos: diminutas agujas magnéticas. Cuando muchos espines se juntan y se comunican a través de un medio común, forman un gran imán, o macroespín.

Una nube fría de átomos se parece a un enjambre de luciérnagas que se sienten atraídas entre sí. La atracción entre los átomos intenta reunirlos en una masa densa. Pero el temblor cuántico —el movimiento inevitable de las partículas— impide que la masa colapse. Cuando la atracción es fuerte, la nube se divide en cúmulos separados.

Una piedra lanzada cae con aceleración, y por el tiempo de caída se puede calcular la fuerza de gravedad. Los científicos repiten este experimento con una nube de átomos enfriados casi hasta el cero absoluto. Esa nube cae en una cámara de vacío, y los pulsos láser dividen sus ondas, como la luz en un interferómetro.

Dos motas diminutas de polvo flotan en el cruce de rayos láser. Cada una se sostiene con sus propias «pinzas»: un haz enfocado que impide que la partícula caiga. Dentro de una cavidad de espejos, la luz rebota entre las paredes y sus oscilaciones se acoplan al temblor de las motas.

El agua en una taza se enfría en minutos. El gas en una habitación la llena uniformemente en segundos. Pero si metes átomos en un tubo del grosor de un rayo láser y los excitas bien, tardarán varios segundos en «enfriarse» hacia el equilibrio: toda una eternidad a escala atómica.

En una orquesta donde cada músico toca la misma nota, el sonido se funde en un potente unísono. Así surge el condensado de Bose — Einstein: una multitud de partículas bosónicas que, a temperaturas extremadamente bajas, se comportan como un todo.

El agua en una cacerola no hierve al calentarse, sino que se convierte en hielo. Algo así ocurre con los átomos ultrafríos en una red óptica: una rejilla cristalina de luz que mantiene a los átomos en su lugar. Los científicos simularon este sistema en una computadora para entender cómo cambia el orden al aumentar la temperatura.

Desde hace tiempo se sospechaba que el efecto Hall cuántico era superfluyente, capaz de fluir sin fricción. Imagina a un cocinero que sigue una receta: por cada unidad de flujo magnético debe colocar exactamente un número determinado de electrones.

En el macrocosmos que conocemos, cualquier movimiento acaba inevitablemente por desvanecerse: interviene la fricción, un proceso disipativo que dispersa la energía. Pero la realidad cuántica nos depara sorpresas.

La luz de los diminutos cristales de perovskita es como la actuación de un coro, donde las voces suenan unas veces solas y otras en un dúo armonioso. Antes, ese dúo solo podía escucharse con un enfriamiento extremo, casi hasta el frío del espacio. Ahora, el coro canta a temperatura ambiente.

En una cubeta del tamaño de una moneda, la luz se comporta como el agua: se condensa en un único fluido cuántico. Cuando se le añade energía, en ese fluido se forman espontáneamente remolinos: los vórtices cuánticos. Cada vórtice es como un pequeño torbellino que no puede desaparecer sin más. Los físicos iluminaron este fluido con un láser y tomaron instantáneas.

La sal en un vaso de agua es una multitud de partículas cargadas. Mientras hay mucha agua, cada partícula flota por su cuenta, rodeada de un denso abrigo de moléculas de agua. Pero si sigues echando sal, el agua empieza a no alcanzar para todos, y las partículas comienzan a buscarse. Primero se enganchan en pares, luego en racimos más grandes.

La nube atómica ultrafría, similar a la niebla, sugiere que la gravedad podría no funcionar según Newton. En los bordes de las галактик las estrellas se mueven más rápido de lo esperado, y la teoría MOND modifica la ley de la gravedad a grandes distancias, eliminando la necesidad de la тёмной материи.

Un cuerpo supersólido es hielo que fluye. Como un estanque cubierto por una costra, pero con una profundidad líquida sin fricción. Normalmente, esa costra se crea alterando las propiedades de todo el líquido. Un grupo de investigadores del helio encontró un método más sencillo: hicieron vibrar la superficie con ondas especiales, y el líquido adquirió por sí mismo una «piel» sólida.

La materia oscura es un océano invisible que, como mostraron las observaciones de Vera Rubin, evita que las estrellas se dispersen en las galaxias.

La paradoja de Mpemba — el agua caliente a veces se congela más rápido que la fría — ha tenido una continuación cuántica. En el microcosmos, una partícula, impulsada más lejos de la meta, llega a ella primero.

La superfluorescencia es la exhalación sincronizada de luz de un cristal. Los investigadores acaban de presenciar su imagen especular: la superabsorción, una inhalación coordinada. Bombardearon nanocristales de perovskita baratos con pulsos láser (spectroscopy) y vieron un estallido de absorción en reversa temporal.