estado de borde

La molécula de tripticeno recuerda a una estrella de tres brazos rígidos. Cuando se esparcen esas estrellas sobre una superficie de plomo, se acomodan solas formando un patrón que parece una cesta tejida: triángulos y hexágonos se alternan, y en cada nodo no hay una estrella, sino un par.

Una película ultrafina de átomos de telurio, tantalio e iridio se comporta como un aislante en su interior, pero conduce corriente por los bordes. Esta propiedad —el efecto Hall cuántico de espín— promete una electrónica sin pérdidas.

El grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, puede cambiar sus propiedades magnéticas como el agua cambia de forma: ora fluye, ora se congela en hielo. En el nuevo trabajo, los físicos han mirado por primera vez dentro de este proceso con un sensor del tamaño de la punta de una aguja.

Una autopista donde los flujos opuestos no solo están separados por lados distintos, sino por dos carreteras independientes, cada una con su propia entrada y salida. Algo parecido ocurre con los electrones en un nuevo tipo de aislante topológico descrito por los autores del trabajo.

Imagina una casa con paredes de corcho que de repente se cubre de láminas de cobre, pero solo cuando llegan las heladas. Algo así le ocurre al compuesto FeSb₂ cuando se fabrica en forma de película de unos pocos átomos de espesor. En condiciones normales, es un aislante de banda estrecha: sus electrones permanecen firmemente en sus lugares, como espectadores en una sala abarrotada.

A bajas temperaturas, muchos materiales se vuelven superconductores: la corriente fluye sin resistencia. Pero, ¿cómo ocurre exactamente si los electrones estaban primero atrapados en un aislante? Hace medio siglo, Philip Anderson sugirió que la respuesta reside en una danza cuántica especial de las partículas.

Cortamos una cadena de espines y en los bordes aparecen partículas sin brecha de energía. Se les llama modos cero y solo viven en el borde. Antes se contaban mediante invariantes topológicos complicados, pero ahora hay una forma más sencilla.

Doblar una hoja de papel es fácil. Pero comprimirla empujando desde el borde es harina de otro costal: el papel se arruga, pero apenas transmite la fuerza más allá. Así funciona la elasticidad ordinaria: la deformación depende de dónde y cómo se presione. La nueva red tridimensional lleva este contraste al extremo.

El libro está abierto por la mitad. Por el lomo corre la corriente, y las páginas permanecen frías. Así funciona un aislante topológico bidimensional: un material donde la electricidad fluye solo por los bordes, mientras el interior permanece inmóvil.

En el nuevo modelo, cada partícula activa tiene un ritmo interno: gira hacia la izquierda o hacia la derecha. La quiralidad es la propiedad clave: unas giran en sentido horario, otras en sentido antihorario. Pero cuando una partícula choca con un obstáculo o con una vecina, conmuta su rotación, como un patinador que, tras tocar el borde, estalla en una pirueta inversa.

Una lámina de goma se comprime por dos lados. A primera vista, es una deformación ordinaria. Pero en el interior, en la profundidad del material, se despierta un orden oculto. No son solo arrugas en la superficie. Es el nacimiento de zonas especiales donde las vibraciones quedan atrapadas, como en una trampa. Antes se pensaba que tales efectos requerían intrincadas redes y estructuras periódicas.

En un pasillo largo, una multitud intenta mantenerse alejada unos de otros. En una sala espaciosa simplemente se dispersarían, pero aquí las paredes aprietan tanto que hay que avanzar en fila india, coordinando cada paso. De manera similar se comportan los electrones en capas de grafeno giradas una respecto a la otra por un ángulo diminuto.

Golpee un diapasón: sonará y se apagará gradualmente. Algo parecido ocurre con los bordes de ciertas cadenas cuánticas si se las 'sacude' bruscamente: las oscilaciones se amortiguan y la memoria del estado inicial desaparece. Pero los físicos han descubierto que en algunos casos este sonido perdura sorprendentemente.

En el Atlántico funciona una gigantesca cinta transportadora invisible: las aguas superficiales cálidas fluyen hacia el norte, se enfrían, se hunden en las profundidades y regresan hacia el sur. Este circuito, la AMOC, arrastra calor consigo, haciendo que Europa sea notablemente más templada que Canadá en las mismas latitudes.

Dos dados yacen en habitaciones diferentes. Si entre ellos hay «entrelazamiento», lanzar uno determina instantáneamente el resultado del otro, incluso a distancia. En el mundo cuántico, esta conexión se llama dirección (steering): un lado, al realizar mediciones en su propio sistema, parece dictar el estado a su compañero.

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.

Desde tiempos inmemoriales, los físicos sueñan con túneles que atraviesan el cosmos: agujeros de gusano capaces de conectar rincones lejanos del Universo en instantes.

Una fila de personas que se dan la mano pero miran en direcciones opuestas: unas hacia el norte, otras hacia el sur. Así es un imán de onda p. En él, los electrones alinean sus momentos magnéticos (espines) no al azar, sino siguiendo un estricto patrón ondulatorio.

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.

Una tela que se estira solo a lo largo, pero no a lo ancho. Así es aproximadamente un material semidirácico: en él, los electrones pueden moverse libremente en una dirección, mientras que en la otra apenas se desplazan. Debido a esta anisotropía inusual, en los bordes del cristal bidimensional aparecen caminos especiales: canales unidimensionales.

Las mediciones magnéticas ordinarias solo ven la superficie del superconductor, donde interfieren barreras y flujos viscosos del campo magnético. En el interior, en el llamado estado intermedio, coexisten dominios superconductores y normales separados por paredes delgadas. Estas paredes pueden oscilar, pero era difícil escucharlas directamente.

Una lámina de ditelururo de tungsteno de un átomo de grosor se parece a un papel de aluminio fino: los electrones no la atraviesan porque entre sus estados posibles hay una banda prohibida, como una zanja que no se puede saltar. Añade dos capas más, y la zanja desaparece: el material se vuelve metálico y la corriente fluye.

Un autobús abarrotado donde cada pasajero es un electrón. En un superconductor, los pasajeros se emparejan y se mueven al unísono, sin pérdidas de energía. Pero en los superconductores de alta temperatura, como los cupratos, esta idílica situación solo funciona si se suben pasajeros extra. Si, en cambio, se baja a alguien, las parejas empiezan a comportarse de manera extraña.

Un diapasón al que se le da un golpe se apaga: sus vibraciones se escapan al aire. Pero existen sistemas donde la oscilación no se amortigua, aunque alrededor haya muchas ondas libres dispuestas a llevarse la energía. Estos estados 'atrapados' son lo que los físicos llaman estados ligados en el continuo (BIC, por sus siglas en inglés).

Un superconductor es como una ciudad donde la corriente eléctrica fluye sin semáforos ni atascos. Pero el cristal UTe2 tiene una particularidad: su superficie sigue reglas distintas a las del interior. En los átomos de telurio que se encuentran en la superficie, los electrones han encontrado una "escapatoria": estados con energías que dentro del cristal están prohibidas.

Un rayo láser retorcido en espiral se parece a un embudo en un lavabo: la luz no solo avanza, sino que también gira. Estos rayos vorticiales ya ayudan a mover partículas diminutas y a transmitir más datos. Pero en cuanto atraviesan un medio no homogéneo, el vórtice se deshace, como el agua de un cubo agujereado.

En una cadena de trampas, como en una hilera de fortalezas costeras, se posan los átomos. A su lado, un mar cuántico: el condensado de Bose-Einstein (una sustancia sin resistencia, donde las partículas se mueven como una sola onda).

Un cristal de uranio del tamaño de un grano de arroz se enfrió hasta una quincuagésima parte de un grado por encima del cero absoluto. A esa temperatura, el calor no se transporta de forma caótica, sino siguiendo estrictamente las reglas del mundo cuántico.

Algunos materiales, cuando se los somete a un campo magnético intenso y a bajas temperaturas, exhiben una propiedad sorprendente: su interior deja de conducir electricidad, convirtiéndose en un aislante, mientras que por el borde mismo de la muestra la corriente fluye, como un río por su cauce, y siempre en una sola dirección.

El bismuto bidimensional sobre un sustrato de silicio es un material prometedor para la electrónica del futuro. Sus bordes conducen la corriente sin pérdidas, como una autopista de alta velocidad sin semáforos. Pero el bismuto es delicado: el aire y la humedad deterioran rápidamente sus propiedades.

Una cadena de átomos de fósforo rojo se parece a un tren, donde los vagones son los átomos y los acoplamientos entre ellos son los enlaces químicos. A veces los acoplamientos son más fuertes, a veces más débiles, y de eso depende cómo corren los electrones por el tren.

Una pila de tortitas idénticas en un plato es solo una pila. Pero si las colocas con un cierto orden, de repente aparece algo nuevo: por ejemplo, un patrón que no era visible en cada tortita por separado. Algo parecido han hecho los físicos con capas delgadas de materiales.

Una lámina de carbono de un átomo de espesor se coloca en un campo magnético intenso y se enfría hasta milésimas de grado por encima del cero absoluto. Un microscopio de microondas se desliza a lo largo del borde de la lámina y mide qué tan bien conduce electricidad ese borde.

El cristal CeRh₂As₂ se comporta como un interruptor: enfríalo y se vuelve superconductor, luego acércale un imán y salta a otro estado superconductor. Este comportamiento es raro: la mayoría de los superconductores tienen un solo estado, pero aquí hay dos, separados por una frontera abrupta.

La tapa que chasquea de un tarro de mermelada es la heroína de esta historia. La presionas y, con un chasquido sonoro, salta de la posición convexa a la cóncava. Exactamente así se comporta la viga articulada dentro de cada celda de la nueva rejilla mecánica. Los científicos han montado con estas vigas que chasquean una malla hexagonal, como un panal, pero de placas elásticas.

La luz de muchos emisores diminutos —átomos o "puntos cuánticos" artificiales— normalmente se dispersa en todas direcciones, como una multitud donde cada uno grita por su cuenta. Pero si se les hace "cantar en coro", el destello se vuelve muchas veces más brillante.

El sonido en una placa delgada se comporta como las ondas en el agua: avanza, se refleja en los bordes, cambia de forma. Pero el sonido tiene una rareza: es capaz de atravesar lugares donde la onda tiene prohibido existir. Es como si las ondas de un estanque desaparecieran de repente ante una barrera de piedra y reaparecieran al otro lado, sin rodearla.

Un chip cuántico se parece a un instrumento musical que se desafina con cada roce. En los dispositivos de germanio tensionado (un material donde los átomos están ligeramente estirados para mejorar la conductividad), la principal fuente de falsedad son los defectos en la frontera entre el semiconductor y la capa aislante.

Un aislante ordinario no conduce corriente ni en el interior ni en los bordes. Un aislante topológico es otra cosa: por dentro sigue siendo aislante, pero por los bordes deja pasar corriente eléctrica sin pérdidas.

La carga electrónica es como una planta rodante que cambia de campamento según la energía. En el cristal de diseleniuro de wolframio (WSe₂) esto se ve con total claridad: a un voltaje de −1.4 V, cercano al punto K de la zona de Brillouin, los máximos de corriente túnel aparecen en los centros de los hexágonos, donde no hay átomos.