apareamiento de electrones

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.

En los superconductores, los electrones se unen en pares y fluyen sin resistencia. Normalmente, estos pares se distribuyen de manera uniforme, como el agua en un lago tranquilo. Pero a veces surge un rizo en el material: los pares se agrupan y se dispersan con un paso determinado. Este estado se denomina superconductividad con onda de densidad de pares.

Cuando un electrón y su antipartícula —el positrón, predicho por Dirac— se encuentran, forman fugazmente un positronio: un minúsculo par que orbita uno alrededor del otro, como en un átomo pero sin núcleo. Casi de inmediato se desintegra, emitiendo dos fotones que quedan misteriosamente vinculados.

Un diminuto cristal de átomos cargados, atrapado en una trampa, tiembla por el calor. Cada ion oscila como una bolita en un resorte, y estas oscilaciones impiden utilizar el cristal para operaciones cuánticas precisas. Normalmente, el exceso de energía se elimina con un láser: el haz golpea los iones y frena su movimiento, como una corriente de aire que amortigua un péndulo.

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.

El mundo cuántico está lleno de sorpresas. En el oscilador Kerr paramétrico —un dispositivo donde la luz queda atrapada en un anillo y es excitada por un campo externo—, recientemente se observó algo extraño: los pares de niveles de energía se funden en un abrazo. Los físicos lo han llamado 'beso espectral' espectroscopía.

En algunos materiales, la corriente eléctrica puede fluir sin la menor pérdida: esto es la superconductividad. Pero antes de convertirse en superconductor, la materia suele pasar por un estado extraño: los electrones ya se sienten entre sí y forman pares, pero aún no pueden moverse en conjunto.

Mediante espectroscopía láser — un método que puede compararse con escuchar el eco de un cristal — los físicos investigaron un material en capas. Encontraron regiones donde los electrones se mueven libremente (bolsas de Fermi) y observaron que cada una de esas regiones se comporta de manera diferente.

Dentro del cristal EuRbFe4As4, las capas de hierro y arsénico se alternan con capas intermedias de europio y rubidio. Al enfriarse por debajo de 15 kelvin (–258 °C), los átomos de europio alinean sus momentos magnéticos en una espiral: cada capa siguiente está girada 90 grados, como los escalones de una escalera de caracol.

La pista de baile está llena de parejas que giran en un vals. Normalmente, los compañeros se mueven en direcciones opuestas: uno da un paso hacia adelante, el otro hacia atrás, para mantener el ritmo común.

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.

En el mundo de los superconductores, a los electrones no les gusta la soledad. Normalmente se unen en pares, los pares de Cooper, y se mueven sin resistencia, como patinadores que se toman de las manos. Pero se les puede hacer bailar de a cuatro.

Dos orillas superconductoras están unidas por un puente de material magnético. Dentro del puente hay una pared de dominio: un límite estrecho donde la magnetización se invierte, como una fila de soldados que cambia la dirección del paso.

En una habitación oscura, un láser infrarrojo emite un destello y un trozo de polvo negro de K3C60, por una fracción de segundo, comienza a conducir corriente sin resistencia. La luz incide a una frecuencia de 10 terahercios, mil veces más rápida que la de un microondas.

Un cúbit superconductor común se parece a un columpio que cualquier ráfaga de viento hace oscilar. El más mínimo cambio en la carga eléctrica cercana y el estado cuántico ya está arruinado.

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.

En cristales bidimensionales, los electrones y los huecos (espacios vacíos con carga positiva) se atraen, formando pares llamados excitones.

Dos emisores diminutos, cada uno del tamaño de un átomo, pueden juntos lograr lo que por separado no podrían. Hablamos de la dispersión de la luz: cuando la luz incide sobre partículas y se esparce en todas direcciones. Normalmente, un par de partículas dispersa la luz solo un poco más que una sola.

Ciertos materiales, cerca del cero absoluto, superconducen: la electricidad fluye sin pérdidas. La temperatura crítica marca el inicio. John Bardeen y sus colegas explicaron que las vibraciones atómicas unen a los electrones en pares de Cooper.

Una fina película de arseniuro de indio sobre un sustrato aislante se comporta como un termo de doble pared: los electrones en su interior apenas ceden calor al cristal circundante. En un metal común, los electrones intercambian rápidamente energía con las vibraciones de los átomos, por lo que su temperatura siempre está cerca de la del material.

Un qubit superconductor es un diminuto circuito eléctrico que se comporta como un átomo artificial. En condiciones normales, la corriente fluye por él sin resistencia y los niveles de energía están espaciados uniformemente, como los peldaños de una escalera.

Un cristal de óxido de magnesio se parece a una formación de soldados: los átomos están alineados en filas ordenadas y un electrón corre entre ellos. Pero si el electrón se detiene, los átomos cercanos se desplazan ligeramente de sus posiciones, como si los vecinos de la fila giraran la cabeza. El electrón queda atrapado en un hueco formado por los átomos desplazados y ya no puede moverse libremente.

La materia oscura es el andamiaje invisible del cosmos, cuya existencia fue revelada por los remolinos de galaxias ya por Fritz Zwicky y Vera Rubin. De qué está hecha ha sido un misterio durante medio siglo. Una nueva hipótesis dibuja un panorama inusual.

Cables comunes: los electrones se empujan, pierden energía, se calientan — eso es resistencia. En los superconductores, parte de los electrones se sincronizan en pares, como bailarines que giran sin chocar. Pero los pares se esconden: no se pueden ver directamente, solo adivinar por su impecable coordinación.

Las aves migran utilizando el campo magnético. En sus ojos hay una proteína llamada criptocromo. Esta capta la luz solar, especialmente la azul, e inicia una reacción. La absorción de luz da lugar a un par de partículas que reaccionan sensiblemente al campo magnético.

En 1976, Gerard 't Hooft observó que el vacío de una teoría de gauge no es tan sencillo como parece: posee una estructura topológica que se manifiesta en una susceptibilidad topológica no nula.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa rápidamente, tiñendo todo el líquido. Algo similar ocurre con los electrones en un metal: se mueven libremente, como moléculas en un gas. Pero si en ese medio aparece una impureza magnética —un átomo con su propio momento magnético—, sucede algo extraño.