conductividad

Un diminuto agujero negro atraviesa una nube de hidrógeno y estira los átomos como si fueran caramelo. Así se ve un superconductor cuando alberga una corriente persistente: el material en el que la electricidad fluye sin pérdidas se convierte en un imán permanente en miniatura.

Un metal de cinco átomos distintos es como una sopa en la que flotan trozos de zanahoria, guisantes, patata, cebolla y carne. Cada trocito es un elemento: cromo, vanadio, titanio, niobio y tántalo. Esta aleación se llama de alta entropía: no tiene un orden único, los átomos están mezclados casi al azar.

En un pasillo estrecho, la gente no camina en masa, sino en filas. El número de filas depende del ancho del paso. En el grafeno, el papel de ese pasillo lo desempeña un contacto puntual cuántico: una constricción donde los electrones se mueven balísticamente, sin dispersarse.

Un superconductor expulsa el campo magnético como una esponja exprime el agua. Este efecto Meissner se conoce desde hace casi un siglo, pero normalmente se calcula en un mundo plano, sin gravedad. En el campo intenso de un agujero negro o a velocidades enormes, el panorama cambia.

La molécula funciona como un mercado: los electrones-compradores entran por dos entradas (contactos) y se dirigen a los puestos con los productos más atractivos, las zonas químicamente activas. Antes se pensaba que la corriente se distribuía uniformemente, pero resultó que hasta el 90% del flujo pasa por estos "puntos calientes".

La espintrónica promete transmitir información no con carga, sino con espín, liberando a la microelectrónica de su principal enemigo: el calentamiento Joule.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta, donde cada músico —un cubit— debe tocar su parte con precisión y a tiempo. Normalmente, los músicos se sientan en lugares fijos y se conectan mediante atriles y cables. Pero, ¿y si se les permitiera moverse libremente por el escenario y el movimiento mismo se convirtiera en parte de la música?

En el cristal CsV3Sb5-xSnx, que a bajas temperaturas se vuelve superconductor, la corriente no fluye como un flujo continuo, sino por estrechos caminos sinuosos.

Una película delgada de óxido de itrio, bario y cobre se calienta bajo un flujo de rayos infrarrojos y, de repente, deja de disipar energía. Esto es la superconductividad: los electrones se unen en pares y se mueven como un enjambre cuántico único.

Un diodo ordinario en electrónica funciona como una carretera de un solo sentido: la corriente solo circula en una dirección. En los superconductores, donde la electricidad fluye sin resistencia, tal comportamiento ha sido difícil de lograr durante mucho tiempo: la corriente suele ser simétrica.

Un diminuto imán flota en una trampa magnética, como una aguja ingrávida. Su eje magnetizado es como la aguja obstinada de una brújula a la que no le permiten girar. Ante él se alza una pared invisible.

Un superconductor se parece a una ronda perfecta de electrones: se mueven en parejas sin perder energía, como bailarines que nunca pierden el ritmo. Pero basta con añadir algunas impurezas magnéticas, y en la ronda se cuelan intrusos que perturban el movimiento sincronizado. La temperatura a la que comienza este baile desciende.

En los metales que conocemos, como el cobre, los electrones se mueven casi independientemente, como coches en una autopista despejada. La resistencia surge de colisiones raras y puede describirse con fórmulas sencillas.

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.

En el frío corazón de un cristal puro, los electrones fluyen como un líquido viscoso, una idea predicha por Lev Landau. Pero los vórtices de este líquido permanecían invisibles, como una imagen deducida del ruido de los espectadores. Ahora los científicos han creado una nanocuerda: un diapasón semiconductor con una cavidad circular.

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.

Un diminuto superconductor, levitando sobre un imán, es como un corcho en la superficie de un océano invisible. El más leve soplo de materia oscura lo hace temblar. Los científicos analizaron dos tipos de ese «viento».

Un trozo de telururo de plata y antimonio se parece a una esponja: absorbe fácilmente el calor y lo convierte en electricidad. Estos materiales se llaman termoeléctricos y ya funcionan en sondas espaciales y frigoríficos de automóvil.

El cristal Co2SeO3Cl2 se asemeja a un pastel en capas, donde cada capa es una red de panal curvada de átomos de cobalto. Al enfriarse hasta 25,4 K (−247,75 °C), los momentos magnéticos de los átomos comienzan a alinearse en esta red, como agujas de brújula, pero no todos a la vez, sino en cuatro etapas: a 25,4, 16,8, 11 y 3 K.

La superconductividad es la capacidad de un material para conducir electricidad sin pérdidas. Los cables normales se calientan y parte de la energía se convierte en calor, mientras que un superconductor deja pasar la corriente sin resistencia.

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.

La memoria de una computadora convencional gasta energía constantemente para almacenar unos y ceros. Pero los superconductores conducen la corriente sin pérdidas: si se pudiera construir una memoria con ellos, consumiría casi nada de electricidad. El problema es que los superconductores no saben recordar: su estado cambia con demasiada facilidad.

Un cable delgado hecho de un material especial, un aislante topológico, se comporta como una calle de ciudad: por dentro está vacío y todo el tráfico circula por los bordes. Los electrones en ese cable se mueven solo por la superficie, como peatones por la acera sin pisar la calzada.

Dentro de una celda de combustible, los protones deben correr rápidamente a través del material sólido, como pasajeros a través de torniquetes en hora punta. Si los torniquetes son escasos y estrechos, la corriente es débil. Antes, para encontrar un material con buena conductividad protónica, los químicos probaban compuestos casi a ciegas, uno por uno.

Un superconductor ordinario se parece a una fila de soldados marchando en parejas: los electrones se unen y sus espines (peonzas internas) apuntan en direcciones opuestas. El campo magnético voltea fácilmente esos pares, destruyendo la superconductividad. En UTe₂ todo es distinto.

En un metal grueso, los electrones son como una orquesta desafinada: cada instrumento va por su cuenta, el sonido general es ruido. Pero lamina el metal hasta una película de un par de átomos — y los electrones de repente empiezan a «tocar» en armonía, conduciendo la corriente sin disonancia.

En un superconductor ordinario, los electrones se unen en pares que permanecen quietos: su impulso total es cero. Pero puede ser diferente: los pares adquieren un impulso común y comienzan a moverse, como un banco de peces nadando contra la corriente. Este estado se llama onda de pares y es muy caprichoso: se necesitan condiciones especiales.

En una habitación oscura, un diminuto diamante brilla en rojo cuando un láser verde incide sobre él. Esa luz no es un adorno, sino una señal: su intensidad cambia si hay un campo magnético cerca. En el diamante hay defectos: átomos de nitrógeno con una vacante adyacente.

Normalmente, para invertir un imán en un dispositivo de memoria se utilizan metales pesados como el platino o el tungsteno. Sus electrones, al fluir la corriente, se desvían lateralmente, como una multitud en una escalera mecánica, y esa desviación transmite un momento de rotación a la capa magnética. Pero los metales pesados son caros y pierden mucha energía en forma de calor.

En los materiales desordenados —por ejemplo, en los semiconductores orgánicos o en las tintas hechas de materiales bidimensionales— los electrones no se mueven de manera uniforme, como el agua por una tubería. Saltan de un lugar a otro, como una pelota que rebota sobre una superficie irregular. Este movimiento se denomina transporte por saltos.

A 78 K, el cristal de Mn₃Si₂Te₆ se convierte en una bobina de inductancia que no necesita ni alambre de cobre ni superconductor. Los electrones en su interior se organizan espontáneamente en vórtices cerrados con una dirección de rotación definida: corrientes orbitales quirales.

Una piedra cae al agua y se forman ondas a su alrededor. En el mundo cuántico, una impureza magnética (esa piedrecita) en un metal perturba a los electrones circundantes, que forman a su alrededor una nube especial. Se la llama nube de Kondo. Como las ondas en el agua en la oscuridad, durante mucho tiempo permaneció esquiva.