condensado de excitones

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.

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.

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.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo parecía un caldero hirviendo. En él, según una hipótesis, pudo nacer la materia oscura: la sustancia invisible que mantiene a las galaxias unidas.

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.

Un cilindro de aluminio masivo, de una tonelada, cuelga en el vacío. Una onda gravitacional —una ondulación del espacio-tiempo— lo atraviesa, y la barra comienza a vibrar de manera casi imperceptible.

El agua en un vaso parece continua, pero está formada por moléculas. De manera similar, durante mucho tiempo los físicos describieron la materia dentro de una estrella de neutrones como una sopa homogénea de protones y neutrones. Pero las estrellas de neutrones reales no son sopa. Son una multitud apretada de partículas donde cada neutrón siente a sus vecinos.

El material de construcción más masivo del planeta, el hormigón, guarda sus secretos más importantes a escala nanométrica. Su resistencia y tendencia a fluir lentamente bajo carga están determinadas por el gel microscópico de hidrato de silicato de calcio (C-S-H), cuya estructura es caótica, como un remolino congelado de átomos.

En 1984, el mundo de la cristalografía dio un vuelco: en una aleación de aluminio y manganeso se descubrieron picos de difracción nítidos con simetría de orden cinco, como si la naturaleza se burlara de los teoremas estrictos que prohibían que los patrones repetitivos tuvieran ejes 5, 8, 10 o 12.

La superfluidez — ese estado en el que la materia fluye sin fricción — ha permanecido elusiva durante mucho tiempo en los condensados de Bose neutros de excitones.

En el centro de muchas galaxias se esconde una nube invisible: el halo de materia oscura. Si esta materia es lo bastante fría y ligera, se comporta como un líquido superfluido: fluye sin fricción y cualquier rotación se enrolla en diminutos vórtices cuánticos, hilos del tamaño de un núcleo atómico.

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.

A temperaturas de milmillonésimas de grado sobre el cero absoluto nace el condensado de Bose-Einstein: un estado donde miles de átomos marchan en una misma clave cuántica.

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.

Un péndulo que oscila por sí solo, sin que nadie le dé cuerda: en el mundo cuántico, estos “péndulos” se llaman cristales de tiempo. En ellos, el movimiento rítmico surge espontáneamente y no se desvanece. Pero hasta ahora, controlar ese ritmo era casi imposible: cualquier intervención amenazaba con destruir el frágil orden.

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.

En el mundo cuántico, las partículas pueden fusionarse en un único líquido que fluye sin fricción. Una de sus formas más enigmáticas es el líquido cuántico fraccionario de Hall. En él, los electrones o átomos se mueven como un vórtice único, y su carga se divide en fracciones, como un pastel cortado en porciones perfectamente iguales.

Una olla de agua siempre hierve igual: a cien grados, y salen burbujas. Con los líquidos cuánticos es distinto. Cuando una nube de átomos se enfría casi hasta el cero absoluto, puede convertirse en una única onda de materia: el condensado de Bose-Einstein.

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 cosmos no es un bloque sólido, sino un lienzo de innumerables hilos cuánticos. El espacio-tiempo no fluye como el agua, sino que vibra como un tapiz al viento. Durante mucho tiempo, los físicos solo veían el dibujo general, ignorando el temblor de los hilos individuales.

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.

Dos láminas delgadas con celdas hexagonales dibujadas se superponen y se giran ligeramente. Aparece un nuevo patrón: el muaré, parecido a los reflejos de la seda. Algo similar hicieron los electrones en el experimento: se organizaron en dos capas, y una capa quedó girada respecto a la otra exactamente 30 grados.

Imagina dos coros en salas insonorizadas sobre un escenario tambaleante. Cantan, pero no pueden oírse — el aire no transporta la melodía. Pero si el escenario tiembla, sus vibraciones conectan sus canciones. Esa es la idea detrás de una nueva prueba para la gravedad cuántica.

Una nube fría de átomos se parece a un enjambre de luciérnagas que se sienten atraídas entre sí. La atracción entre los átomos intenta reunirlos en una masa densa. Pero el temblor cuántico —el movimiento inevitable de las partículas— impide que la masa colapse. Cuando la atracción es fuerte, la nube se divide en cúmulos separados.

Una piedra lanzada cae con aceleración, y por el tiempo de caída se puede calcular la fuerza de gravedad. Los científicos repiten este experimento con una nube de átomos enfriados casi hasta el cero absoluto. Esa nube cae en una cámara de vacío, y los pulsos láser dividen sus ondas, como la luz en un interferómetro.

En el helio superfluido, un vórtice se parece a un tornado en una botella, pero en lugar de agua hay un líquido cuántico que fluye sin fricción. Ese vórtice no se disipa por sí solo, así que la pregunta de dónde va a parar su energía permaneció abierta durante mucho tiempo.

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 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.

Las ondas magnéticas en un gas ultrafrío se comportan como cuerdas elásticas. Dos o tres de estas cuerdas pueden trenzarse formando un nudo que respira: se contrae y se expande, pero no se deshace. Los científicos han logrado por primera vez crear estos nudos en el laboratorio y han comprobado que su respiración coincide exactamente con los cálculos.

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

Una película delgada de semiconductor de un átomo de espesor se asemeja a un piso compartido: en ella viven electrones con carga negativa y «huecos» con carga positiva.

Desde hace tiempo se sospechaba que el efecto Hall cuántico era superfluyente, capaz de fluir sin fricción. Imagina a un cocinero que sigue una receta: por cada unidad de flujo magnético debe colocar exactamente un número determinado de electrones.

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.

La lente 'ojo de pez' es un vidrio inusual: su índice de refracción cambia del centro al borde de modo que cualquier rayo emitido desde un punto arbitrario se concentra en el punto exactamente opuesto. Hacer una lente así con vidrio ordinario es casi imposible, pero los físicos encontraron un camino alternativo.

Una diminuta nube de átomos, enfriada a millonésimas de grado por encima del cero absoluto, flota en una trampa anular. Parece un collar luminoso, pero los físicos la han hecho vivir en la superficie de un rosco invisible. Con rayos láser e impulsos de microondas, tres estados internos de los átomos se enlazaron en un ciclo.

Las baldosas comunes forman un patrón repetitivo. Pero los átomos pueden hacer más: en ciertas condiciones, ellos mismos crean un mosaico complejo donde el diseño nunca se repite, como en los paneles de azulejos antiguos.

Un punto cuántico del tamaño de unos pocos miles de átomos parpadea como una bombilla defectuosa: a veces brilla intensamente, a veces casi se apaga. Antes se pensaba que en los momentos oscuros emitía no solo fotones individuales, sino también pares extra, lo cual es un defecto para la comunicación cuántica.