sensor de campo eléctrico

La luz arranca electrones del cristal y estos vuelan hacia el detector como flechas hacia un blanco. Con sus trayectorias, los físicos reconstruyen cómo vivían los electrones dentro del material: con qué energía y en qué dirección se movían. Pero basta con encender un campo magnético para que las trayectorias se curven.

Sintonizar una radio para captar una estación que cambia de frecuencia al cruzar la frontera entre fases: así puede imaginarse el reto que tenían los investigadores. En el metal YbRh2Si2, los electrones se comportan como partículas "pesadas": su masa efectiva es cientos de veces mayor que la del electrón libre.

Durante tres días seguidos, un láser golpeó un chorro de gas y, cada segundo, se generaba un haz de electrones con una energía comparable a la de un pequeño rayo. Antes, estos haces solo se obtenían en enormes salas donde el acelerador ocupaba un edificio entero. Ahora, todo el sistema cabe en una habitación y funcionó sin fallos durante 72 horas.

El campo magnético de la Tierra no es constante: tiembla por el viento solar, por tormentas lejanas, por el funcionamiento del metro. Para notar esas vibraciones se necesita un instrumento que no vibre por sí mismo. Los físicos han construido uno con átomos de iterbio enfriados casi hasta el cero absoluto.

Un haz de electrones es un flujo de partículas diminutas que llevan carga eléctrica. Cuando ese haz incide en un material, no solo lo calienta o arranca átomos, sino que también empuja ligeramente la superficie, como un chorro de agua empuja la palma de la mano.

Un receptor de radio del tamaño de la palma de la mano puede medir la potencia de la señal con más precisión que los costosos bancos de laboratorio. En su interior no hay bobinas ni antenas, solo una cabeza de vidrio y una nube de átomos de rubidio enfriados casi hasta el cero absoluto.

Dos bailarines en el escenario deben moverse con una sincronización impecable, pero basta con que uno se retrase para que todo el número se eche a perder. Así funcionan aproximadamente los ordenadores cuánticos de átomos neutros: se entrelazan dos átomos llevándolos al estado de Rydberg (enorme, como un globo comparado con un átomo normal) y se espera a que 'bailen' su parte.

El espacio vacío no está tan vacío como parece. Según la teoría cuántica, el vacío está lleno de partículas que continuamente se crean y se destruyen.

Las ondas de radio de baja frecuencia (de 30 a 300 kilohercios) transportan información a través del agua y la tierra. Pero captarlas con una antena convencional es difícil: la longitud de onda alcanza varios kilómetros, y un receptor pequeño apenas percibe ese campo.

En una habitación, el aire toca la piel y sentimos su temperatura. Pero si el cuerpo de repente se lanzara con una aceleración colosal, el calor llegaría incluso desde el vacío absoluto.

Si aceleramos a un observador hasta velocidades cercanas a la de la luz, el vacío que lo rodea deja de ser frío. Aparece un resplandor térmico: un efecto predicho en 1976 y bautizado en honor a William Unruh. Para aceleraciones terrestres, este resplandor es increíblemente débil, como un susurro en un concierto de rock.

Un láser no es solo luz. Si haces que una partícula oscile como un péndulo y esas oscilaciones se autoalimentan, obtienes un láser fonónico. Suena complicado, pero la idea es simple: en lugar de ondas de luz, el dispositivo emite ondas mecánicas regulares: fonones. En el nuevo trabajo, ese "péndulo" es un único ion de calcio atrapado en una trampa electromagnética.

Un diminuto defecto en un cristal de nitruro de boro se comporta como una lamparita indicadora. Al iluminarlo, brilla y el tono de esa luz depende de la temperatura: cuanto más calor, más rojo. Al mismo tiempo, si se irradia el defecto con microondas, su brillo comienza a parpadear al ritmo del campo magnético externo.

El mundo cuántico está lleno de transformaciones. A veces un sistema formado por unas partículas empieza a comportarse como si hubieran aparecido otras muy distintas.

Un niño en un columpio: si lo empujas con demasiada fuerza, sale disparado. Así, aproximadamente, la luz intensa arranca electrones de los átomos. Parecería que cuanto más fuerte es el empujón, más segura es la destrucción. Pero en el mundo cuántico todo es distinto: cuando la fuerza del campo supera cierto umbral, el átomo se congela de repente.

La luz en una fibra óptica viaja por el núcleo sin apenas escapar al exterior. Pero si uno se acerca mucho, puede sentir un leve temblor del campo en la superficie: la onda evanescente.

Cuatro pequeños charcos, y en ellos chapotean gotas de un líquido superfluido. Estas gotas son átomos enfriados casi hasta el cero absoluto y unidos en pares, como pequeños imanes. Cuando toda la estructura gira, el líquido fluye entre los charcos. Basta con contar cuántas gotas hay en cada uno para conocer el ángulo y la velocidad de rotación.

La palma de la mano sobre una placa caliente siente el calor, incluso cuando el aire alrededor parece fresco. Algo similar ocurre con los electrones en el efecto Aharonov-Bohm: la partícula percibe el voltaje eléctrico, aunque entra en una región donde el campo ya está apagado.

Si lanzas un puñado de monedas a una caja con compartimentos, cada una caerá en su casillero y permanecerá allí para siempre. Más o menos así se comportan los átomos en una red óptica especial cuando se excitan con un láser. Estos átomos se llaman de Rydberg: uno de sus electrones se desplaza a una órbita muy lejana, y el átomo se vuelve sensible a sus vecinos.

Una trampa de átomos típica funciona como un embudo: la luz láser y el campo magnético hacen que los átomos se frenen y se concentren en el centro. Pero el embudo tiene un límite: solo captura átomos con una velocidad determinada.

Los relojes no son solo agujas. Todo núcleo atómico es un metrónomo natural: oscila con una regularidad casi perfecta. Si se eleva un metrónomo de estos un par de metros, su ritmo se acelera ligeramente: esto es la curvatura del tiempo, predicha por Einstein.

El campo magnético de la Tierra, que hace girar la aguja de una brújula, es fuerte. El nuevo sensor detecta campos cien mil veces más débiles, y para ello no necesita ni helio líquido ni instalaciones voluminosas. Todo cabe en una placa de circuito impreso, igual que la que hay dentro de un teléfono inteligente.

Una computadora cuántica de átomos neutros se parece a una biblioteca donde los libros no solo hay que leerlos, sino también devolverlos rápido al estante. La lectura lenta del resultado es como un bibliotecario lento que retrasa a toda la cola. Los científicos encontraron una forma de acelerar este proceso añadiendo ayudantes.

Un conjunto de antenas convencional se parece a un coro: muchas voces cantan al unísono y el sonido se amplifica solo en una dirección. Para captar la señal desde otro lado, hay que reorganizar todo el coro. Ahora imagina que una sola voz pudiera cambiar su timbre de modo que el sonido se concentrara por sí solo en la dirección deseada.

En una habitación oscura parpadea una lámpara invisible. Su luz no se parece a la habitual: no tiene un brillo constante, solo ráfagas raras pero potentes. Esto es un vacío comprimido brillante: un estado de la luz en el que no hay una onda ordinaria, pero sí fuertes fluctuaciones cuánticas. Con esa luz, los físicos bombardearon átomos de xenón.

Una cuchara cae en una taza de café caliente y se forman ondas en la superficie. Se puede ver qué tan rápido se aleja la perturbación del punto de impacto. En el mundo cuántico, los físicos buscan ondas similares en el agua: cómo se propaga la información a lo largo de una cadena de átomos.

Una antena común capta ondas de radio, pero hay campos que casi no percibe. Hablamos de campos eléctricos lentos, aquellos que cambian una vez por segundo o menos. Para ellos, los físicos han construido un sensor a partir de un haz de átomos de rubidio.

Un receptor de radio convencional compara la onda entrante con una de referencia para extraer la información. Los átomos de rubidio pueden hacerlo de otra manera: ellos mismos actúan como antena y detector a la vez. Pero hasta ahora necesitaban una señal de radio adicional que estableciera el punto de referencia. El nuevo esquema prescinde de ella.

La materia oscura es una masa invisible que mantiene unidas las galaxias. Se desconoce su naturaleza, pero uno de los candidatos más probables es el axión, una partícula ultraligera que casi no interactúa con la materia. Para atraparlo, los físicos han creado una trampa híbrida.

Dentro de una cápsula de vidrio del tamaño de un guisante flotan átomos de rubidio. Un rayo láser los lleva a un estado especial, el estado de Rydberg, en el que el electrón se aleja mucho del núcleo y el átomo se vuelve extraordinariamente sensible a los campos externos.

Las ondas de radio que oscilan menos de una vez por segundo atraviesan la tierra y el agua casi sin pérdidas. Estas señales se usan para comunicarse con submarinos y para buscar minerales. Pero una antena convencional para ellas necesitaría cientos de metros de largo, y su sensibilidad deja mucho que desear.

Un transistor de potencia de carburo de silicio opera bajo voltajes miles de veces superiores a los de un enchufe doméstico. Si el campo se distribuye de manera desigual en su interior, el dispositivo se quema. Antes no se podía ver ese campo: es demasiado intenso para los sensores convencionales, y el dispositivo debe permanecer bajo tensión.

Las ondas de radio nos rodean, pero el ojo no las ve. Un nuevo sensor del tamaño de una uña las convierte en una mancha de color en una pequeña pantalla. Dentro del chip hay una capa de cristales líquidos, los mismos que se usan en las pantallas de los teléfonos. Entre ellos se entretejen finos hilos ferromagnéticos. Cuando llega una onda de radio, los hilos se calientan rápidamente.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico toca su parte, pero todos deben sonar en armonía. Hasta ahora, la mayoría de los circuitos cuánticos se construían con átomos idénticos, como si la orquesta tuviera solo violines. Ahora, los físicos han logrado que dos elementos distintos trabajen juntos: rubidio y cesio.

Forzaron a una nube de átomos de cesio a comportarse como una sola cuerda cuántica. Al iluminarla con un láser y dejar que las partículas interactuaran, los científicos pusieron en marcha oscilaciones autosostenidas: el ritmo surgió sin un director externo. Las ondas de radio actuaron como los trastes en un mástil: se podía cambiar suavemente la frecuencia del sonido.

En los laboratorios donde los átomos se enfrían casi hasta el cero absoluto, cualquier cambio diminuto del campo magnético desajusta todos los parámetros.

El núcleo de deuterio, o deuterón, puede imaginarse como una peonza microscópica. Si la distribución de cargas en su interior no es perfectamente simétrica, en un campo eléctrico externo esa peonza sufre una diminuta inclinación de su eje de rotación.

Las balanzas ultraprecisas que captan los mínimos cambios en la fuerza de gravedad funcionan como un oído fino: escuchan incluso el susurro de lejanas cavidades subterráneas o las vibraciones de la corteza terrestre. Pero estos dispositivos tienen un enemigo oculto: su propio reloj interno. El tiempo dentro del sensor también tiembla, y ese temblor emborrona la imagen.

El átomo de hidrógeno es como un diminuto reloj que late con una precisión con la que los ingenieros solo pueden soñar. Cuando un electrón salta entre órbitas, absorbe o emite luz de una frecuencia estrictamente definida: ese es su "tictac".

Un flujo de electrones se puede comparar con el haz de un puntero láser: si diverge, la mancha en la pared se extiende rápidamente. En el laboratorio, los físicos han creado un haz tan estrecho que permanece fino a gran distancia, como el de un buen puntero.