excitón

Tres voces que se funden en un solo acorde. En la física de materiales cuánticos, esta imagen cobra un sentido literal: tres capas de grafeno, separadas por finos espaciadores, hacen que electrones y huecos de distintas capas se muevan como un único líquido.

En un semiconductor ordinario es difícil obtener dos cosas a la vez: un magnetismo fuerte y un par electrón-hueco robusto que nace al absorber luz. Las impurezas magnéticas que hacen magnético al material, al mismo tiempo impiden que el electrón y el hueco permanezcan juntos: son como vecinos ruidosos que no dejan a la pareja existir en paz.

En un semiconductor ordinario es difícil obtener dos cosas a la vez: un magnetismo fuerte y un par electrón-hueco robusto que nace al absorber luz. Las impurezas magnéticas que hacen magnético al material, al mismo tiempo impiden que el electrón y el hueco permanezcan juntos: son como vecinos ruidosos que no dejan a la pareja existir en paz.

Dos electrones que salen de la punta de una aguja metálica casi al mismo tiempo comienzan a repelerse, como dos personas que intentan pasar a la vez por una puerta estrecha. Cuanto más cerca están el uno del otro, más se estorban.

Una pista de baile vacía, donde de vez en cuando aparece alguien. Cada uno se mueve por su cuenta, de forma caótica, sin conexión con los demás. Pero basta con poner cierta música y enfriar un poco la sala, para que los bailarines empiecen a alinearse en largas cadenas y se muevan al unísono. Así más o menos se comportan los electrones en un gas tridimensional diluido.

Un cristal de óxido de cobre parece una piedrecita de color rojo oscuro. Pero basta con que incida en él un pulso láser corto para que en su interior nazcan pares: un electrón y un «hueco», el lugar donde falta un electrón.

Una pista de baile vacía, donde de vez en cuando aparece alguien. Cada uno se mueve por su cuenta, de forma caótica, sin conexión con los demás. Pero basta con poner cierta música y enfriar un poco la sala, para que los bailarines empiecen a alinearse en largas cadenas y se muevan al unísono. Así más o menos se comportan los electrones en un gas tridimensional diluido.

Un cristal de óxido de cobre parece una piedrecita de color rojo oscuro. Pero basta con que incida en él un pulso láser corto para que en su interior nazcan pares: un electrón y un «hueco», el lugar donde falta un electrón.

El mundo cuántico a menudo se compara con un instrumento musical. Las bandas electrónicas en un cristal son como cuerdas, cada una con su propio tono. Normalmente, si las cuerdas están afinadas de manera simple, sin entrecruzamientos complicados, el sonido que produce su movimiento conjunto también permanece simple.

El mundo cuántico a menudo se compara con un instrumento musical. Las bandas electrónicas en un cristal son como cuerdas, cada una con su propio tono. Normalmente, si las cuerdas están afinadas de manera simple, sin entrecruzamientos complicados, el sonido que produce su movimiento conjunto también permanece simple.

Tomemos dos láminas delgadas de un semiconductor. Una está impregnada de electrones libres, como un café abarrotado donde cada mesa está ocupada. La segunda, por el contrario, está llena de lugares vacíos: 'huecos' que ansían llenarse.

Tomemos dos láminas delgadas de un semiconductor. Una está impregnada de electrones libres, como un café abarrotado donde cada mesa está ocupada. La segunda, por el contrario, está llena de lugares vacíos: 'huecos' que ansían llenarse.

En un cristal bidimensional de diseleniuro de wolframio (WSe₂), la luz crea pares: un electrón y un hueco que permanecen unidos. Estos pares se denominan excitones. Entre ellos hay algunos "oscuros" que apenas emiten luz, pero son precisamente los que marcan la pauta a bajas temperaturas.

En un cristal bidimensional de diseleniuro de wolframio (WSe₂), la luz crea pares: un electrón y un hueco que permanecen unidos. Estos pares se denominan excitones. Entre ellos hay algunos "oscuros" que apenas emiten luz, pero son precisamente los que marcan la pauta a bajas temperaturas.

En el hueco entre dos espejos, un rayo de luz va y viene. Se refleja, corre de vuelta, se refleja de nuevo, y así una y otra vez. Y dentro de ese hueco yace una capa plana de electrones que sabe girar bajo la acción de un campo magnético. Cuando la frecuencia de giro de los electrones coincide con la frecuencia de las oscilaciones de la luz, comienza un baile extraño.

Con un frío intenso —menos 268 grados— la película cristalina de perovskita comienza a transmitir la luz de manera diferente según su polarización. El haz parece dividirse en dos: una parte va un poco más rápida, la otra un poco más lenta.

En las primeras fracciones de segundo tras el Big Bang, el Universo experimentó la inflación: una expansión increíblemente rápida que alisó todas las irregularidades. Pero entre esa lisura cósmica podría haberse escondido una nota "desafinada": las fluctuaciones cuánticas del campo de axiones.

Los materiales orgánicos emisores de luz se parecen a un cruce concurrido sin semáforo. Las moléculas reciben energía, pero en lugar de devolverla honestamente en forma de luz, a menudo se desvían hacia callejones sin salida: forman pares oscuros (exciplexos, complejos de corta vida sin emisión) o chocan entre sí, perdiendo carga.

Imagine un rayo verde que, al atravesar un ingenioso montaje óptico, se enrosca en un embudo tridimensional de luz: un vórtice óptico. En su corazón, como en el ojo de un huracán, la intensidad cae a cero. Justo allí los fotones desaparecen.

Una onda de luz se parece a una cuerda que se sacude: vibra en un plano determinado. Esa propiedad, la polarización, revela la forma y la composición de los objetos. Pero captarla no es fácil, sobre todo si se quiere abarcar una amplia gama de colores. Normalmente se necesitan sistemas voluminosos de lentes y filtros.

La luz incide sobre una molécula orgánica y en su interior nace un par de excitaciones gemelas. Se las llama pares tripletes. En moléculas individuales de pentaceno, estos pares saben compartir su energía con los vecinos desde hace tiempo: es la base de la fisión de singlete, que aumenta la eficiencia de las células solares.

Los músicos de una orquesta tocan cada uno su parte sin escuchar a los demás. En un cristal perfecto de disulfuro de tungsteno sobre grafeno, los excitones —pares ligados de electrón y hueco— se comportan igual: apenas se mezclan debido a una simetría oculta llamada simetría de valle.

La luz queda atrapada en una red cristalina, pero no una cualquiera, sino una al revés: como un panal de abejas donde en lugar de cera hay vacío y los bordes están hechos de material. Así es un ópalo inverso: un cristal fotónico tridimensional que no deja pasar la luz de ciertos colores.

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.

El Sol es un caldero hirviente de hidrógeno y helio, donde el gas incandescente está atrapado en lazos magnéticos. Cuando los invisibles látigos magnéticos se reconectan, se libera una energía comparable a miles de millones de explosiones termonucleares. ¿Adónde va?

Una linterna común ilumina por igual hacia adelante y hacia atrás. Pero en los cristales magnéticos nace un axión, una excitación fantasma parecida a una ola en un estadio: los átomos se pasan entre sí un impulso magnético.

En el cristal de nitruro de boro, la red atómica perfecta a veces se rompe: en algún lugar falta un átomo, en otro lo reemplaza uno extraño. Bajo un potente microscopio, estas diminutas imperfecciones se ven como trampas para electrones: capturan partículas y comienzan a brillar, y además responden a un campo magnético.

La transferencia de energía en la fotosíntesis se parece a un tobogán: se hunde bajo el peso de uno, cambiando el camino para el siguiente. Así sucede en la hoja: el estado excitado de una molécula reconfigura instantáneamente el «paisaje» de las vecinas. Los físicos reproducen este efecto con iones suspendidos en una cámara trampa al vacío.

El péndulo de un reloj antiguo oscila porque un mecanismo de resorte lo empuja regularmente. Ahora imagina un péndulo que decide por sí mismo cuándo balancearse, y lo hace con un ritmo constante, solo porque en la habitación hace calor y hay una ligera corriente de aire.

En un fino sándwich de semiconductores, la luz crea pares: un electrón y un hueco positivo que se mantienen unidos como una pelota atada a una goma elástica. Normalmente, estos pares, los excitones, emiten luz rápidamente y desaparecen. Pero hay otros, los oscuros, que viven cientos de veces más porque su estructura interna les impide ceder energía al exterior con facilidad.

La luz solar incide sobre una oblea de silicio y en el circuito aparece una corriente. Es el funcionamiento habitual de una célula fotoeléctrica: la luz expulsa electrones y la unión p-n (la frontera entre dos capas con distinta conductividad) los obliga a moverse en una dirección.

Una pizca de sal cae al agua y los iones de sodio y cloro se separan, rodeados de moléculas de agua. Ahora, en lugar de un ion, en la compañía molecular entra un positrón: la antipartícula, gemela del electrón, pero con un más en lugar de un menos.

Una pelota grande y pegajosa, si la arrojas sobre un estante polvoriento, rebotará y levantará polvo, pero si la haces rodar despacio, recogerá cada mota de suciedad. Así se comportan los excitones de Rydberg, unos 'átomos' gigantes dentro del cristal, llamados así en honor a Johannes Rydberg.

Un láser convencional se parece a una orquesta cuyos músicos necesitan calentar antes de tocar al unísono. Primero hay que bombear energía a suficientes átomos para que se 'inviertan' y estén listos para emitir luz: esto se llama inversión de población. Solo entonces surge el haz.

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.

El azul es el color más caprichoso de cualquier pantalla. Para obtenerlo, hay que gastar mucha energía y, a menudo, la luz resulta apagada. Los químicos llevan tiempo buscando moléculas que brillen en azul profundo de forma intensa y duradera. Ahora han ideado un nuevo diseño basado en europio, un metal de tierras raras capaz de emitir una luz azul pura.

Las computadoras cuánticas y los sensores funcionan a frecuencias de microondas, pero para transmitir sus señales a largas distancias es conveniente usar fibra óptica, donde se utiliza luz.

La luz y los átomos, como bailarines, pueden moverse al unísono o en desorden. Cuando su interacción es anisotrópica —es decir, depende de la dirección—, el baile se complica.

Un punto cuántico del tamaño de un virus, aprisionado entre espejos, con un destello breve de luz engendra dos fotones. Estos fotones salen en pareja y sus polarizaciones —las direcciones de oscilación de las ondas— están ligadas de tal modo que, si conoces una, al instante sabes la otra.

Un cristal ultrafino de átomos de wolframio y azufre se parece a un aparcamiento perfecto: todas las plazas ocupadas, todo ordenado. Pero a veces falta un átomo: se forma un hueco, un defecto. Si un excitón (un par de electrón y "hueco" que transporta la energía de la luz) cae en ese hueco, puede quedarse atrapado y emitir luz de forma distinta a como lo haría en una zona limpia.