ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico

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?

Cuando dos agujeros negros se fusionan, ondas expansivas recorren el tejido del espacio-tiempo: las ondas gravitacionales. Pero, ¿y si en lugar de uno de ellos no hubiera un agujero negro común, sino algo distinto, un objeto compacto exótico?

En la pared, franjas claras y oscuras. Así es la luz que se cancela a sí misma. Ya en el siglo XVII, Christiaan Huygens supuso que la luz es una onda. Pero solo los experimentos de Arago y Fresnel a inicios del XIX demostraron que dos haces producen esas franjas únicamente si sus vibraciones están en el mismo plano.

En 2021, el observatorio LHAASO registró fotones gamma con energías superiores al petaelectronvoltio procedentes de fuentes como la Nebulosa del Cangrejo, el remanente de una explosión de supernova en cuyo centro late una estrella de neutrones.

Un grupo de protones entra en una nube de plasma y deja tras de sí una huella invisible: una onda eléctrica. Esta onda puede atrapar otras partículas y acelerarlas hasta energías enormes. Pero es difícil de controlar: hay demasiados detalles en el comportamiento del plasma.

Imaginen a un artista cuyo lienzo es un planeta entero y su paleta son moléculas que beben luz estelar. Su pincel son miles de millones de años de evolución, y su cuadro es un retrato espectral visible incluso desde otro sistema estelar.

Cuanto más delgada es la película ferroeléctrica, más fuerte es el campo despolarizante: el dictado de la física clásica. Imagine un lápiz que se balancea sobre la punta del dedo: cuanto más corto, más difícil es mantenerlo vertical. Así es como la polarización nanométrica tiende a desaparecer.

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.

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.

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.

Dos esferas masivas se separan lentamente en el vacío. Desde el punto de vista de la mecánica ordinaria, no hay nada especial. Pero las ecuaciones de Einstein dicen lo contrario: las masas aceleradas agitan el propio espacio, y desde ellas se propagan ondas gravitacionales — una ondulación que estira y comprime todo a su paso.

Un agujero negro es un bolsillo cósmico en el que cae todo, incluso la luz. Pero los trabajos pioneros de John Wheeler, Stephen Hawking y Roger Penrose mostraron que a veces, debido a la colosal curvatura del espacio-tiempo, el bolsillo se…

Una fuente de fotones convencional puede compararse con la entrada de una discoteca con un solo portero. Trata de dejar pasar a los visitantes de uno en uno, pero a veces se cuelan parejas. Los físicos llaman a esto el problema de la pureza: los fotones deben ir estrictamente uno tras otro, de lo contrario los cálculos cuánticos fallan.

Una gota de agua en un campo eléctrico intenso se alarga. El núcleo del deuterio, un par ligado de protón y neutrón, se comporta de manera similar, solo que aquí el campo lo crea un fotón gamma que pasa, y en lugar de estirarse, el núcleo puede simplemente romperse.

Un columpio solo se balancea si lo empujas acompasadamente. Si te desvías un poco del ritmo, el esfuerzo se pierde. De manera similar, la luz interactúa con el núcleo atómico: normalmente un fotón se absorbe solo cuando su energía coincide exactamente con la diferencia entre los niveles nucleares.

Una cámara ultrarrápida capaz de filmar el movimiento de los electrones es el interferómetro de attosegundos. Este envía dos pulsos láser a la materia con un diminuto retraso. El primero, ultravioleta, como un destello, arranca un electrón de la molécula.

Una molécula de deuterio, formada por dos átomos de hidrógeno pesado, se desintegra al recibir el impacto de un láser. Un electrón es arrancado, dejando tras de sí un ion. En ese momento, ambos siguen vinculados: la dirección de uno revela de inmediato hacia dónde fue el otro. Esa conexión se llama entrelazamiento cuántico.

Un cuásar lejano se nos presenta como cuatro puntitos de luz dispuestos en cruz. Así lo deforma la gravedad de una galaxia que se interpone en nuestra línea de visión: actúa como un vidrio imperfecto y multiplica la imagen. Cada puntito es el mismo objeto, pero su luz nos llega por caminos diferentes.

Una lámina ordinaria de fósforo negro se parece a un pastel de capas de átomos. Si la iluminas con una lámpara común, no ocurre nada especial: los electrones permanecen quietos, como espectadores en una sala oscura. Pero un destello láser corto, que dura millonésimas de milmillonésima de segundo, sacude esa sala.

Un punto cuántico es como una lámpara individual que se enciende y se apaga a la orden de un láser, emitiendo exactamente un fotón a la vez. Pero esta luz tiene una peculiaridad: los fotones no se llevan bien entre sí, vuelan independientes, como gotas al azar de un grifo.

En el cristal de titanato de bario hay un campo eléctrico interno, como el de un imán permanente, pero para cargas. Cuando llega un destello de luz, expulsa electrones que comienzan a agitarse, chocando con los átomos. Pero el cristal no es igual en todas las direcciones: tiene un eje a lo largo del cual el campo es más intenso.

Normalmente, para obtener ondas de terahercios (luz entre las microondas y el infrarrojo) se construye un sándwich de distintos metales. En él, una capa actúa como fuente y otra como receptor de cargas. Al platino en estas estructuras se le asignaba el papel de simple conductor. Pero resultó que puede funcionar por sí solo.

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.

En una habitación oscura, un átomo y la luz quedan encerrados juntos en una cajita de espejos. La cajita es tan pequeña que el átomo no puede simplemente soltar la luz: intercambian energía constantemente, como dos bailarines que no se sueltan las manos.

Un río fluye en una dirección, mientras una ola en su superficie avanza en la contraria. Esa misma dualidad ocurre en los materiales hiperbólicos: la energía de la onda luminosa y sus frentes de onda divergen, impidiendo crear una lente nítida.

La luz es un flujo de fotones y, normalmente, un fotón no tiene momento magnético: no se desvía con un imán como las limaduras de hierro.

La luz no es solo un rayo, sino una onda con un campo eléctrico que cambia a una velocidad inimaginable para los relojes comunes. Hasta ahora, ese campo solo se podía medir en un punto, como la temperatura con un solo termómetro.

Una partícula cargada que gira en un campo magnético no se queda callada: emite luz. Esa luz se llama radiación de sincrotrón y aparece en todas partes, desde galaxias lejanas hasta aceleradores de laboratorio.

Si la luz pudiera embotellarse, los científicos tendrían una cadena de montaje perfecta: una botella, exactamente un fotón, sin una gota de más. Estas partículas de luz individuales son necesarias para los ordenadores cuánticos y las comunicaciones seguras: transportan información que no puede ser espiada sin ser detectada.

En un campo enorme de luciérnagas que destellan de a una y no en enjambre, busca el nuevo sistema automático. Pasa el láser por la muestra como si fuera una linterna y en cada punto anota el color y el brillo del resplandor.

Una lámina ultrafina de semiconductor es como la película de una burbuja de jabón, pero hecha de átomos de tungsteno y selenio. Si la pinchas con una aguja de diamante afilada, en ese punto aparecen diminutos defectos.

La ecuación de difusión es una foto borrosa de una multitud de partículas: en ella, una perturbación se extiende instantáneamente por todo el Universo, desafiando la teoría de la relatividad. El misterio se agravaba por su conexión con el aumento de la entropía (medida del desorden).

Un material de un solo átomo de espesor y una pureza récord –apenas un átomo extraño por millón– se convierte en escenario de un fenómeno sorprendente. Al enfriarlo casi hasta el cero absoluto, los electrones en su interior, como los músicos de una orquesta, se quedan quietos en un orden estricto, formando un cristal.

El muón es como un electrón, pero 200 veces más pesado. Cuando se detiene en un trozo de silicio, es atraído hacia el núcleo atómico como un imán atrae un clavo. El núcleo recibe energía extra y empieza a "hervir": de él salen distintas partículas: protones, deuterones, tritones y partículas alfa.

Las ráfagas rápidas de radio son brillantes destellos cósmicos que, como una señal de partida, inician una carrera de ondas de radio a través del Universo. Los astrónomos las usaron para comprobar si el fotón —la partícula de luz— tiene masa.

Una diminuta punta de tungsteno con un radio inferior a cien nanómetros es el escenario ideal para observar el espectáculo cuántico. Basta con aplicar un campo eléctrico de unos pocos voltios por nanómetro para que los electrones empiecen a salir del metal: se produce la emisión de campo.

La luz golpea una placa metálica y de ella salen electrones. Eso es el efecto fotoeléctrico, y solo funciona si la luz tiene energía suficiente para superar el umbral que mantiene a los electrones dentro.