fermión

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.

Un río desviado en una fracción de segundo no olvida de inmediato la intervención. Las corrientes rápidas ya se han acomodado al nuevo cauce, pero sobre el agua aún se expanden lentos círculos que guardan toda la historia del giro.

En el acelerador del Laboratorio Jefferson, un haz de luz golpea protones y de las colisiones nacen partículas de vida corta: los mesones omega. Viven menos de una milmillonésima de segundo, pero alcanzan a contar cómo están hechas las fuerzas dentro del núcleo atómico.

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.

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.

Un cable cuántico se parece a una autopista de alta velocidad por la que los electrones circulan en un flujo denso. Cada uno tiene su propia rotación, el espín, y hasta ahora se creía que separar ese flujo en dos carriles, uno para la rotación 'izquierda' y otro para la 'derecha', sin perder el orden cuántico, era casi imposible.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo era una 'sopa' ardiente de partículas. A medida que se enfriaba, se producían transiciones de fase, como cuando el agua se convierte en hielo. En uno de esos momentos pudieron nacer los monopolos magnéticos de la materia oscura: diminutos grumos de campo con un solo polo magnético.

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.

Los electrones en un sólido normalmente o corren libremente (metal) o están confinados en su lugar (aislante). Pero a veces la fuerte repulsión mutua los encierra en un estado a medias: las cargas se quedan quietas, mientras que los espines —pequeñas agujas magnéticas— siguen viviendo su propia vida. Esto se llama aislante de Mott.

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.

En la imagen heisenbergiana habitual, a bajas temperaturas los espines deben ordenarse en un patrón estricto. Pero hay cristales — por ejemplo, el pirocloro — donde la geometría impone su ley.

En el mundo del magnetismo imperó durante mucho tiempo una simple dicotomía: los ferromagnetos, donde todos los espines apuntan en la misma dirección, y los antiferromagnetos, donde se ordenan en un patrón de damero, compensándose mutuamente.

Una bola de billar golpea a otra, y la suma de sus velocidades antes y después del golpe obedece reglas estrictas. En el microcosmos ocurre lo mismo: la energía, el momento y la carga no pueden simplemente desaparecer.

El universo temprano era un lugar turbulento. El espacio vibraba con ondas gravitacionales, ondas en el propio tejido del cosmos. En ese crisol burbujeante, se cree que nació la materia oscura. Pero las partículas recién nacidas no tenían masa; había que obtenerla de algún lugar. Normalmente, el campo de Higgs es el responsable de la masa.

El espacio-tiempo no está vacío: tiembla. Tras el Big Bang, el universo estaba lleno del zumbido de las ondas gravitacionales, similar al grave tañido de una campana gigante.

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.

Los libros de texto dividen las partículas en dos bandos: a los bosones les encanta amontonarse en un mismo estado, mientras que los fermiones se niegan rotundamente. Pero la naturaleza admite una tercera opción. Los anyones son cuasipartículas cuyo comportamiento se sitúa en algún punto intermedio.

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.

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 bloque de materia oscura a la deriva en el vacío: invisible, casi intangible. Nadie sabe de qué está hecho, pero un nuevo trabajo propone verlo como una gota de líquido cuántico.

Un jugador de baloncesto casi siempre encesta, pero si lanza desde la esquina izquierda, la pelota falla. Así se comporta aproximadamente el mesón B, una partícula de vida corta que a veces se desintegra en partículas más ligeras.

En un lado de la balanza está toda la materia del universo; en el otro, toda la antimateria. Según las leyes de la física, en el momento del nacimiento del mundo los platillos deberían haberse equilibrado. Pero vemos que un lado pesa más: a nuestro alrededor hay estrellas, planetas, personas, y casi nada de antimateria. Este desequilibrio es uno de los grandes misterios.

Se hace pasar corriente a través de un resorte de moléculas orgánicas y, a la salida, casi todos los electrones giran en la misma dirección. Este truco se conoce como selectividad quiral de espín y durante mucho tiempo ha desconcertado a los físicos.

En lo profundo de la tierra, en Japón, se encuentra un enorme depósito de agua ultrapura. Espera a unos visitantes muy especiales: neutrinos que llegan de explosiones de estrellas lejanas. Estos visitantes son extremadamente raros: a lo largo de los años de observación, el detector Super-Kamiokande registra solo unos pocos eventos.

En el mundo de las partículas elementales existe un antiguo enigma: ¿por qué las masas del electrón, el muón y la partícula tau difieren tanto? ¿Y por qué los quarks — los ladrillos de protones y neutrones — también se dividen en tres generaciones con un salto brusco de masas?

En los primeros instantes tras el Big Bang, la materia y la antimateria deberían haber nacido en igual cantidad. Pero hoy solo vemos materia: estrellas, planetas, nosotros mismos. ¿Dónde quedó la antimateria? Una de las pistas se esconde en partículas casi imperceptibles: los neutrinos diestros.

El fin del universo no es simplemente oscuridad. Si la energía oscura lo desgarra en pedazos o si se contrae de nuevo en un punto, como un Big Bang al revés, se produce una singularidad: el momento en que la física convencional falla. Durante mucho tiempo se creyó que en ese incendio cósmico todo desaparecía.

En el mundo microscópico rige el principio de exclusión de Pauli: los fermiones —partículas de espín semientero, como los electrones— no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Esta regla fundamental del modelo estándar de la física obliga a los electrones de los átomos a ocupar distintos orbitales, dando a la materia volumen y estructura.

En el mundo cuántico, la luz y la materia intercambian energía constantemente. Antes se describían de forma estática, como posturas congeladas. El nuevo enfoque sigue la danza misma: las transiciones entre estados, como un flujo continuo de movimientos.

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 aprietas un puñado de arena en la mano, primero se compacta, pero luego comienza a resistirse: los granos ya no tienen dónde ir. En el interior de una estrella de neutrones ocurre algo parecido, solo que en lugar de granos de arena hay partículas elementales, y en lugar de la mano, una gravedad monstruosa.

Si intentas partir un protón y sacar un quark, te llevas una sorpresa. Las fuerzas ordinarias, como la eléctrica, se debilitan cuando las partículas se separan. Aquí es al revés: cuanto más lejos está el quark de sus vecinos, más fuerte es el tirón que lo devuelve.

La computadora cuántica promete resolver problemas que la clásica no puede. Pero, ¿dónde está la frontera? Los autores del nuevo trabajo se toparon con un caso sorprendente: los electrones agrupados en pares se comportan como una orquesta disciplinada. Incluso si se añade un poco de «magia» —un recurso cuántico especial—, su comportamiento sigue siendo predecible.

Un trozo de magnetita, esa piedra de hierro tan común, se comporta de manera extraña. A temperatura ambiente conduce la electricidad, pero si se enfría por debajo de menos 150 grados, la resistencia salta de golpe. Este salto, descubierto en 1939, dejó perplejos a los físicos durante casi un siglo. El nuevo trabajo propone la solución.

La partícula encantada D+ vive una fracción diminuta de segundo y luego se descompone en partículas más ligeras, como un puente sobrecargado que pierde sus soportes. Los físicos del colisionador BESIII han capturado millones de estas desintegraciones y las han clasificado. En una de las desintegraciones nacen cuatro piones y un mesón eta a la vez.

En el núcleo de un átomo de carbono, las partículas ocupan sus "apartamentos" — como inquilinos que no pueden compartir la misma habitación. Esta regla de la física se llama principio de exclusión de Pauli: dos habitantes idénticos del núcleo no pueden encontrarse en el mismo estado. Pero, ¿y si la regla a veces se viola?

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.

Bajo un campo magnético intenso, los electrones confinados en una capa delgada a veces se alinean en un patrón regular, como invitados en una fiesta concurrida que encuentran un lugar donde nadie los empuja. Este orden se denomina cristal, aunque no es hielo ni sal, sino los propios electrones inmóviles en sus posiciones.

Un electrón en un cable ordinario es como un mensajero que lleva a la vez el paquete y la firma del destinatario: su carga y su espín siempre van juntos. Pero si el cable se hace tan delgado como un solo átomo, el mensajero se siente apretado.

El protón no es una bolita sólida, sino una nube burbujeante de quarks y gluones. Cada partícula lleva su pedacito de giro, pero si sumas todos los pedacitos, no obtienes todo el espín del protón. Parte del giro parece esconderse en los habitantes más lentos de la nube: aquellos que llevan solo una diminuta fracción del movimiento total.