efecto Kondo

En una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor aparecen y desaparecen: una lucha similar ocurre en los materiales bidimensionales. Aquí, los electrones simultáneamente crean magnetismo y tratan de apagarlo.

Dos imanes diminutos están incrustados en un trozo de metal. Alrededor de ellos, un mar de electrones de conducción. Normalmente, los electrones intentan "blindar" el magnetismo de las impurezas: se alinean a su alrededor y lo apagan. Este fenómeno se conoce como efecto Kondo.

La materia cuántica rara vez nos regala el espectáculo del movimiento autopropulsado. Mientras que el mundo clásico está lleno de bandadas de estorninos, cardúmenes de peces y bacterias ajetreadas, la termodinámica cuántica permaneció en calma durante mucho tiempo.

Un diminuto cristal de átomos cargados, atrapado en una trampa, tiembla por el calor. Cada ion oscila como una bolita en un resorte, y estas oscilaciones impiden utilizar el cristal para operaciones cuánticas precisas. Normalmente, el exceso de energía se elimina con un láser: el haz golpea los iones y frena su movimiento, como una corriente de aire que amortigua un péndulo.

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.

El agua común agua se congela como se espera. Pero a veces, la caliente se convierte en hielo más rápido que la fría: el efecto Mpemba. Recientemente, se encontró una violación similar de las reglas en el entrelazamiento cuántico, esa conexión invisible entre partículas descubierta por Erwin Schrödinger.

Un superconductor se parece a una ronda perfecta de electrones: se mueven en parejas sin perder energía, como bailarines que nunca pierden el ritmo. Pero basta con añadir algunas impurezas magnéticas, y en la ronda se cuelan intrusos que perturban el movimiento sincronizado. La temperatura a la que comienza este baile desciende.

El campo magnético aumenta, pero la magnetización se queda congelada en su sitio. Como una balanza a la que añades peso y la aguja no se mueve hasta que se acumula lo suficiente para saltar a la siguiente marca. Así se comportan los cristales de tetraboruros de tierras raras, y los físicos llevaban décadas sin entender por qué.

Un hilo largo se cerró en un anillo y se le hizo un nudo. El nudo se desliza a lo largo del hilo hasta que topa con algo. Ahora el hilo está formado por dos secciones diferentes: una rígida y resbaladiza, y otra blanda y pegajosa. Al calentarse, la sección pegajosa se ablanda y el nudo puede deslizarse fuera de ella, como un trineo que baja de una colina descongelada.

La pista de baile está llena de gente que se mueve cada uno por su cuenta. De repente, algunos se dividen en parejas: giran sin apenas notar a los vecinos, mientras los demás se alinean en cadenas. Algo así hacen los átomos en el metal CsCr₃Sb₅, uno de los representantes de los metales kagome, cuya red cristalina recuerda a una cesta tejida.

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.

Una película fina de jabón en la mano se adapta a la forma de la palma, pero si aprietas los dedos, la tensión cambia de manera desigual. Algo similar ocurre con una monocapa de disulfuro de molibdeno sobre un sustrato de grafito.

Un cristal de iones de calcio en una trampa, iluminado por un láser, es un modelo diminuto de la materia en el interior de una enana blanca. Allí, en las profundidades de una estrella moribunda, los núcleos atómicos se organizan en una red rígida cuando la temperatura desciende.

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 diodo semiconductor normalmente conduce la corriente en una sola dirección, como una puerta con resorte: en un sentido se abre fácilmente, en el otro se atasca. Pero si se satura el cristal con impurezas, la puerta empieza a comportarse de manera extraña: con voltaje inverso, la corriente no solo fluye, sino que se dispara.

Un conductor ordinario deja pasar la corriente igual en ambas direcciones, como una puerta que se abre hacia dentro y hacia fuera. Un diodo, en cambio, es una puerta con cierre hidráulico: en un sentido se abre con facilidad, pero en el otro opone resistencia.

En el macrocosmos que conocemos, cualquier movimiento acaba inevitablemente por desvanecerse: interviene la fricción, un proceso disipativo que dispersa la energía. Pero la realidad cuántica nos depara sorpresas.

En un metal hay muchos electrones libres: se mueven entre los átomos como un enjambre de abejas alrededor de la colmena. Si se atraviesa ese metal con un fino hilo magnético, los electrones empiezan a sentir su campo. Un nuevo cálculo ha mostrado que no se limitan a rodear el campo, sino que lo encierran en su interior, como un tapón retiene el agua en una botella.

A 78 K, el cristal de Mn₃Si₂Te₆ se convierte en una bobina de inductancia que no necesita ni alambre de cobre ni superconductor. Los electrones en su interior se organizan espontáneamente en vórtices cerrados con una dirección de rotación definida: corrientes orbitales quirales.

La temperatura de una habitación baja varios grados mientras el refrigerador funciona sin un solo compresor en movimiento. Dentro no hay freón, sino un trozo de metal que se imana y se desimana.

Una pista de baile donde los momentos magnéticos y los electrones de conducción alternan entre liderar y seguir: así es la red de Kondo en el cristal V5S8.

En una cadena de ocho espines se esconde un defecto: un diminuto momento magnético. El efecto Kondo, conocido desde los años 1930, hace que los electrones a su alrededor se organicen en una pantalla colectiva. La resistencia del material aumenta de forma anómala.

Una piedra cae al agua y se forman ondas a su alrededor. En el mundo cuántico, una impureza magnética (esa piedrecita) en un metal perturba a los electrones circundantes, que forman a su alrededor una nube especial. Se la llama nube de Kondo. Como las ondas en el agua en la oscuridad, durante mucho tiempo permaneció esquiva.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa rápidamente, tiñendo todo el líquido. Algo similar ocurre con los electrones en un metal: se mueven libremente, como moléculas en un gas. Pero si en ese medio aparece una impureza magnética —un átomo con su propio momento magnético—, sucede algo extraño.

Una multitud en una plaza. Al principio, cada uno gira a su propio ritmo, pero de repente la música cambia y todos comienzan a moverse sincrónicamente, como un solo cuerpo. Más o menos así se comportan los electrones en algunos metales: a veces se adhieren a impurezas magnéticas, a veces se desprenden y forman un orden colectivo.