cuantización del flujo

El pastel de capas de disulfuro de molibdeno MoS2 descansa sobre la mesa del laboratorio. Se prepara de la manera habitual: una cinta adhesiva arranca las capas superiores para obtener una muestra delgada. Pero bajo la cinta queda una cavidad invisible, donde los pisos atómicos ya no están apretados entre sí.

Un intérprete que antes captaba solo fragmentos de frases ahora escucha toda la conversación. De manera similar, los físicos que estudian las interacciones fuertes no habían podido calcular cómo responden dos partículas a un impacto de luz cuando no forman un núcleo estable.

Una fina capa de arseniuro de indio está escondida bajo una película superconductora, como una voz bajo el ruido de la multitud. En este híbrido, la corriente elige el camino de menor resistencia y casi toda fluye por el metal, por lo que el semiconductor permanece inaudible para los instrumentos convencionales.

En una habitación tranquila, sin un solo imán, dos electrones en una trampa de silicio siguen sintiendo un leve temblor. Lo crean los núcleos de los átomos de silicio y germanio, que giran caóticamente como las agujas de brújulas rotas. Antes se consideraba ese temblor una molestia, pero ahora se ha convertido en un instrumento de medición.

Una fina película de nitruro de circonio descansa sobre un sustrato de óxido de magnesio. El espesor es de dos décimas de micra, como una telaraña, pero en su interior hierve una vida cuántica. Al enfriarse a medio kelvin, la superconductividad no desaparece de inmediato: se descompone en raros islotes que aún se mantienen en medio del desorden.

En un pasillo estrecho, la gente no camina en masa, sino en filas. El número de filas depende del ancho del paso. En el grafeno, el papel de ese pasillo lo desempeña un contacto puntual cuántico: una constricción donde los electrones se mueven balísticamente, sin dispersarse.

Un interferómetro cuántico superconductor es un dispositivo que detecta campos magnéticos miles de millones de veces más débiles que la aguja de una brújula común. En su interior hay un puente estrecho donde la superconductividad se interrumpe por un instante.

Un gas superfluido es como una multitud que marcha al unísono: cada átomo sabe hacia dónde moverse y no se desvía del ritmo común. Pero esta multitud tiene tres «valles»: tres direcciones diferentes por las que puede avanzar.

En una habitación oscura apenas se oye un susurro. Para distinguir las palabras, hay que acercarse mucho — o colocar muchos micrófonos sensibles.

Dos capas de diseleniuro de wolframio —no de carbono, sino de un compuesto de wolframio y selenio— se giran una respecto a la otra un ángulo diminuto, de unos 5 grados. Surge un patrón de moiré: una red periódica aumentada donde los electrones se comportan de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal ordinario.

Después del Big Bang, según la cosmología inflacionaria, el Universo experimentó una rápida expansión y una serie de transiciones de fase.

En el mundo cuántico hay una danza propia. Dos toroides superconductores, que sostienen cómodamente cada uno su flujo magnético cuantizado, giran en un vals sincronizado. Entre ellos, el vacío, ni una sola línea de fuerza, pero replican los movimientos del otro sin error.

La espintrónica promete transmitir información no con carga, sino con espín, liberando a la microelectrónica de su principal enemigo: el calentamiento Joule.

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.

Los mundos bidimensionales no dejan de asombrar: aquí incluso la fusión de un cristal no es una ruptura de simetría, sino un espectáculo de vórtices, descubierto por Kosterlitz y Thouless. En el corazón de este teatro están las singularidades topológicas, cuya energía y entropía negocian el orden.

La orquesta coordinada de electrones en un superconductor es fácil de sacar de ritmo. Los golpes térmicos destruyen el frágil orden y la resistencia regresa. Durante décadas, los científicos han buscado formas de fortalecer este conjunto, principalmente cambiando la composición del material o comprimiéndolo a presiones inimaginables.

Un tubo largo por el que viaja una onda. Si se mira desde lejos, el tubo parece una simple línea: una dimensión se ha perdido. Así, aproximadamente, los físicos obtienen una teoría de la gravedad en 10 dimensiones a partir de una en 11 (que describe todo: partículas y fuerzas). Toman una dimensión y la cierran en un anillo diminuto, invisible a grandes escalas.

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 sartén larga y estrecha hace que un panqueque fino se congele en franjas irregulares. Durante décadas, los científicos vieron un panorama similar al modelar el comportamiento de los electrones en superconductores, materiales que conducen corriente sin pérdidas.

En el helio superfluido, la fricción desaparece: el líquido fluye como un arroyo de montaña, pero sin un solo remolino. Un breve pulso láser agitó esta superficie y los científicos, con ayuda de la espectroscopía, captaron las ondas que se propagaban: ondas cuánticas con muchas velocidades.

Un agujero negro, perturbado por una fusión, resuena en sus frecuencias únicas, como una campana. Cada agujero tiene su propia «voz», por la cual los astrónomos determinan sus características. En un nuevo estudio, los científicos analizaron cómo este sonido se ve afectado por la energía oscura y las hipotéticas nubes de cuerdas microscópicas.

El campo magnético no penetra en un superconductor como un flujo continuo, sino en forma de finos hilos: los vórtices. Normalmente se repelen y se ordenan en una red triangular regular, como flotadores en el agua. Pero en CaSb₂ todo ocurrió de otra manera: los vórtices se agruparon en montones apretados, dejando entre ellos espacios casi vacíos.

Dentro de un superconductor, el campo magnético suele enrollarse en tubos: vórtices, cada uno de los cuales transporta un cuanto de flujo magnético. Así está construida la red clásica de Abrikósov. Pero en los cristales de LiFeAs el panorama es diferente.

Los físicos intentan escuchar un susurro en una habitación ruidosa. Construyen una cabina insonorizada, pero incluso en ella, la propia respiración y los latidos del corazón crean interferencias. Así se buscan los indicios de la gravedad cuántica: quieren ver cómo la fuerza de la gravedad une dos partículas en un todo único, es decir, las enreda.

Un gas superfluido se comporta como un líquido sin fricción. Dos nubes de este gas se conectan mediante un puente estrecho, y a través de él fluye una corriente de partículas. Esto recuerda al efecto Josephson en los superconductores, pero en lugar de electrones, son átomos neutros.

Los sensores magnéticos más pequeños que una cabeza de cerilla ya pueden detectar campos débiles, como los del corazón o de un planeta lejano. Pero para hacerlos aún más sensibles, hay que llegar a un compromiso: si aumentas una pieza, pierdes en otra.

Las mediciones magnéticas ordinarias solo ven la superficie del superconductor, donde interfieren barreras y flujos viscosos del campo magnético. En el interior, en el llamado estado intermedio, coexisten dominios superconductores y normales separados por paredes delgadas. Estas paredes pueden oscilar, pero era difícil escucharlas directamente.

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.

Un electrón en un campo magnético es como una diminuta peonza que gira y emite un débil 'chirrido' a su frecuencia. Escuchar ese chirrido directamente es casi imposible: se pierde en el ruido. Los científicos han ideado un resonador: una tira superconductora de microondas que funciona como un diapasón afinado a la misma nota.

Un magnetar es una estrella de neutrones con un campo magnético cientos de millones de veces más intenso que el de la Tierra. Si acercaras un imán común a un campo así, se desmagnetizaría al instante, y los átomos se estirarían formando hebras delgadas.

Una fina lámina de grafeno de unos pocos micrómetros de espesor se colocó en un campo magnético débil, y comenzó a expulsarlo de su interior, como una esponja que, al ser comprimida, expulsa el agua.

La corriente eléctrica en un superconductor es como una multitud que corre por un pasillo sin fricción. Pero en los superconductores de tipo II hay obstáculos: diminutos vórtices de campo magnético que la corriente desplaza. Cuando un vórtice se mueve, aparece resistencia y la corriente disminuye.

Los átomos magnéticos en un sólido se parecen a las agujas de una brújula: normalmente, al enfriarse, se alinean en una misma dirección, y así surge el magnetismo. Pero en el material TbInO3, las agujas de terbio se asientan en una red triangular donde es imposible complacer a todos los vecinos a la vez.

La superficie del cristal del compuesto de uranio UTe2 se asemeja a un mar congelado: en algunos lugares los electrones se mueven libremente, en otros quedan atrapados cerca de los átomos. El microscopio de efecto túnel (un instrumento que sondea la superficie con una aguja afiladísima y detecta electrones individuales) mostró que este paisaje no es casual.

Un superconductor normal expulsa el campo magnético, pero este anillo, al contrario, lo crea en su interior. El anillo está hecho del material Fe(Te,Se), un compuesto de hierro, telurio y selenio que pierde su resistencia eléctrica a temperaturas muy bajas.

Un superconductor conduce la corriente sin pérdidas, como una carretera perfectamente lisa por la que los coches circulan sin fricción. Pero, ¿y si esparcimos piedras y baches en la carretera? Los científicos decidieron probar esto añadiendo desorden a un material superconductor de un átomo de espesor.

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 helio líquido a temperaturas ultrabajas fluye sin fricción, como un lubricante ideal. En él nacen remolinos parecidos a los del agua común, pero su fuerza de rotación cambia solo por pasos fijos, como los de un tocadiscos: solo 33, 45 o 78 revoluciones.

Un imán de nevera se mantiene pegado porque en su interior las diminutas agujas atómicas están alineadas en una misma dirección. Pero la mecánica cuántica hace que estas agujas tiemblen, y la magnetización total se vuelve menor que la ideal.

Un sensor de campo magnético ultrapreciso convencional se parece a una balanza que empieza a mentir si le pones un peso demasiado grande. La señal se distorsiona y hay que añadir electrónica compleja para enderezar las lecturas. Esa electrónica introduce ruido y dificulta el funcionamiento rápido.