superficie de Fermi

En el mundo cuántico, las partículas a veces se comportan como acróbatas en cuerdas invisibles. El campo de instantón es un vórtice de corta duración que surge y desaparece al instante. Cuando un fermión (una partícula como el electrón) entra en ese vórtice, su energía no permanece quieta.

El viento lleva el polen, y cada grano de polen se mueve como si fuera independiente. Pero cuando el aire se arremolina en un torbellino, las trayectorias del polen ya no se pueden separar: están enredadas.

Un diminuto sándwich de óxidos, cultivado capa a capa, se vuelve perfectamente conductor a unos 200 grados bajo cero. No es un truco, sino un nuevo capítulo en la búsqueda de superconductores de alta temperatura.

Una nube de átomos fríos está atrapada entre dos espejos. Se hace pasar luz a través de ella y los átomos comienzan a emitir colectivamente —este efecto se denomina superradiancia. Pero los átomos no solo "brillan": sus espines (las agujas magnéticas internas) interactúan con la luz de dos maneras diferentes.

El grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, se comporta como la superficie de un agua tranquila, hasta que aparece la superconductividad. Entonces, como ondas que se expanden desde una piedra lanzada, se propagan ondas inusuales: pares de electrones se mueven sin fricción.

El horno está al rojo blanco, pero el polvo cerámico sigue suelto. Se aplica un campo eléctrico y, en unos segundos, el material se asienta, se endurece y se convierte en un monolito resistente. Esta técnica se llama sinterización flash (del inglés "destello") y ahorra horas de cocción y gigavatios de energía.

Durante mucho tiempo, el horizonte de sucesos se comportó como un dictador cósmico: todo lo que cruzaba su frontera desaparecía irremediablemente de nuestro Universo. Pero la mecánica cuántica, como la voz de un disidente, susurraba: la información no puede desaparecer sin dejar rastro.

En la gran sinfonía del magnetismo reinó por mucho tiempo un dúo: el estridente ferromagnetismo y el silencioso antiferromagnetismo, donde los espines solistas se anulan entre sí. Pero recientemente se unió al conjunto una tercera voz: el altermagnetismo.

La superconductividad y el campo magnético son enemigos eternos: el campo irrumpe como un torbellino, rompiendo el delicado emparejamiento de los pares de Cooper y destruyendo el orden.

Hace casi quince años, el telescopio de rayos gamma Fermi registró unas misteriosas «burbujas» — gigantescos grumos de plasma, como inflados por pulmones invisibles, que se elevan decenas de miles de años luz desde el centro de la galaxia.

Una piedrecita cae en un estanque y se forman ondas en el agua. En el mundo cuántico, el estanque no está hecho de agua, sino de muchas partículas idénticas, y la piedrecita también es una partícula, pero forastera. A esa partícula forastera se la llama polarón de Fermi.

Buscas una habitación silenciosa para una conversación importante. Entras en el lugar y escuchas silencio. Pero al fijarte bien, resulta que en una esquina simplemente está rota la ventilación, y en la otra hay un hueco en el suelo que absorbe el sonido.

Una gota de agua sobre la mesa lleva una doble vida. En el interior, las moléculas están rodeadas de vecinas por todos lados, pero en la superficie solo desde abajo y los costados; arriba hay aire. Esta diferencia genera la tensión que mantiene la forma de la gota.

Los electrones en un conductor son como una multitud caótica: al chocar, pierden energía y surge la resistencia. En un superconductor, en cambio, se mueven de manera coordinada, como parejas en un baile sincronizado, sin rozarse. Este estado tiene una entropía reducida, es decir, menos desorden. Este comportamiento es raro en el oro y el cobre.

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.

Un enjambre de luciérnagas apenas choca entre sí, pero cambia de color sincronizadamente intercambiando señales. Así se comportan los neutrinos en los densos flujos de estrellas en colapso: se transforman colectivamente de un tipo a otro, aunque individualmente interactúan muy débilmente.

A mediados del siglo XX, Roger Penrose describió el agujero negro mediante el concepto de «superficie atrapada», una región donde incluso un rayo de luz dirigido hacia afuera cae inevitablemente hacia el centro. Una situación familiar para todos: el agua en el remolino del lavabo se va irremediablemente por el desagüe.

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.

Si cada segundo se comprueba dónde está un electrón, sus propiedades cuánticas cambian. Es como un niño que juega al escondite pero le llaman por su nombre constantemente: se queda quieto y deja de correr. En el mundo de las partículas, ese «llamador» es una medición.

En un superconductor, los electrones se agrupan en pares, como bailarines que se toman de las manos. Normalmente, la distancia entre ellos —el tamaño del par— depende de la rapidez con la que se mueven y de la fuerza de su unión. Pero a veces la pista de baile casi desaparece y no hay lugar para moverse.

La luz, descubierta por Maxwell, se comporta de manera diferente en distintos medios. En un nuevo estudio se modeló un cristal bidimensional que absorbe luz y tiene propiedades magnéticas.

El óxido de rutenio fue considerado durante mucho tiempo un altermagneto ejemplar: un material en el que los momentos magnéticos de átomos vecinos apuntan en direcciones opuestas, pero no se compensan por completo debido a la simetría especial del cristal. Nuevas mediciones han demostrado que en el interior del cristal no hay magnetismo alguno.

Un cristal de hierro se asemeja a un mosaico de muchos granos densamente empaquetados. Donde un grano se encuentra con otro, surge un límite: una costura estrecha con un orden alterado. Es precisamente en estas costuras donde se esconden sorpresas para el magnetismo.

Un diminuto imán, formado por apenas dos moléculas, se posó sobre una superficie metálica y se comportó como un director de orquesta caprichoso. Normalmente, los electrones en un metal se mueven de manera coordinada, como una multitud en una escalera mecánica. Pero con un enfriamiento intenso, ese orden se rompe y el movimiento se vuelve impredecible.

En la superficie de una fina película de óxido de bismuto-hierro se ven franjas regulares, como surcos en un campo arado. Lo que ocurre debajo ha sido hasta ahora un misterio.

Un nadador que corta el agua a la velocidad de las olas que corren sobre ella se encuentra en una situación extraña: las olas que él mismo genera no pueden ni adelantarlo ni quedarse atrás. Se acumulan frente a su proa y se congelan. Un fenómeno similar ocurre cuando una fuente de luz se mueve dentro de un medio a una velocidad que coincide con la velocidad de transferencia de energía de las olas.

El cristal del compuesto de uranio UTe2 se asemeja a un pastel de capas donde los electrones fluyen sin resistencia. Pero si se observa su superficie con un microscopio, se aprecia una ondulación, como las olas en el agua tras lanzar una piedra.

Dentro de un trozo de metal, los electrones no se quedan quietos, sino que se mueven como el agua de un río. Pero no se puede ver ese movimiento directamente: es demasiado rápido y diminuto. Los científicos idearon un camino indirecto: toman "instantáneas congeladas" del líquido electrónico a diferentes temperaturas y, a partir de ellas, reconstruyen cómo se movían exactamente los electrones.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor se retuerce en un ángulo pequeño, y comienza a comportarse como un pastel de capas, donde las capas están ligeramente giradas entre sí. En un cierto ángulo de giro, este material se convierte en superconductor: los electrones comienzan a moverse en pares, como bailarines de vals, sin perder energía.

El cristal de uranio-telurio, al enfriarse fuertemente, deja de oponer resistencia a la corriente. Antes de que eso ocurra, a una temperatura ligeramente más alta, su resistencia aún se puede medir, y esta revela la forma de los caminos invisibles por los que corren los electrones.

Un metal es un mar de electrones que se mueven casi libremente y chocan solo de vez en cuando. Pero en algunos materiales, ese mar se vuelve de repente viscoso e impredecible: los electrones dejan de comportarse como partículas independientes. Los físicos llaman a este estado 'no fermi-líquido', y sigue siendo un misterio.

Los físicos encerraron una nube de átomos de litio entre espejos. La luz rebota en su interior, como en una sala de ecos, forzando a los átomos a emitir sincrónicamente: se produce superradiancia, similar a un coro donde las voces se fusionan en un único estruendo.

Una hoja de papel cientos de veces más delgada que un cabello humano: aproximadamente así de fina es la película de óxido de vanadio que cultivaron los científicos. Dentro de esta película, los electrones, diminutos portadores de corriente eléctrica, se mueven casi sin colisiones. Como autos en una carretera nocturna vacía, aceleran y no pierden velocidad.

Los electrones en el cristal CrSb se comportan como un banco de peces: dentro del material se deslizan por sus 'pasillos', y en la frontera con el vacío se organizan en patrones caprichosos. Estos patrones son la superficie de Fermi, el mapa de todas las velocidades permitidas para los electrones. No se puede tocar con la mano, pero se puede 'palpar' con un campo magnético.

Una cadena de átomos de fósforo rojo se parece a un tren, donde los vagones son los átomos y los acoplamientos entre ellos son los enlaces químicos. A veces los acoplamientos son más fuertes, a veces más débiles, y de eso depende cómo corren los electrones por el tren.

Un electrón dentro de un cristal se asemeja a un viajero que camina por una ciudad con calles sinuosas. La dirección de su movimiento cambia constantemente según dónde se encuentre. Los físicos llaman a esta característica fase geométrica de Berry, y determina cómo el material conduce la corriente o reacciona ante un campo magnético.

Una lámina de carbono de un átomo de espesor se coloca en un campo magnético intenso y se enfría hasta milésimas de grado por encima del cero absoluto. Un microscopio de microondas se desliza a lo largo del borde de la lámina y mide qué tan bien conduce electricidad ese borde.

Una película delgada de óxido de rutenio Sr₃Ru₂O₇, cultivada sobre un sustrato cristalino ajeno, se comporta como una lámina de goma bien estirada: el sustrato la comprime o la estira.

Una llamarada solar es como una explosión en la atmósfera: brillante, rápida, con diferentes 'voces'. Los rayos X provienen de electrones que se aceleran y frenan bruscamente, perdiendo energía. Pero en 2017, los detectores del satélite Fermi captaron otra señal: rayos gamma que no encajaban en ese panorama.

El cristal CrSb se comporta como un cruce donde los electrones con distinto espín eligen diferentes carriles. En un imán ordinario, todos los electrones se alinean en una misma dirección, pero en un antiferromagneto alternante los espines se alternan como las casillas de un tablero de ajedrez. Esto crea un mapa complejo de velocidades que es difícil de observar directamente.