vibración de la red

En el cristal de niobato rutilo, los átomos de níquel se encuentran en jaulas de oxígeno: octaedros. A veces, uno de los átomos pierde un electrón y la carga salta al átomo vecino, como un testigo en una carrera de relevos. Pero ese salto no es aleatorio: lo desencadenan las vibraciones de toda la red.

En un acelerador circular, un haz de electrones recorre el círculo millones de veces. Si los electrones están retorcidos, como un hilo en una cuerda, su movimiento vorticial debería conservarse. Pero en el camino se encuentran empujones aleatorios provenientes de imanes imperfectos. Los científicos han descrito cómo el movimiento vorticial cambia bajo la influencia de tales perturbaciones.

El campo de luz, como una gofrera cuidadosa, imprime en el espacio un patrón regular de zonas brillantes y oscuras. En los puntos más luminosos, como en pequeños hoyuelos, quedan atrapados los átomos: se forma una red óptica. Es la herramienta favorita de los físicos cuando quieren estudiar el comportamiento cuántico de la materia en estado puro.

Con un frío intenso —menos 268 grados— la película cristalina de perovskita comienza a transmitir la luz de manera diferente según su polarización. El haz parece dividirse en dos: una parte va un poco más rápida, la otra un poco más lenta.

En 1915, Альберт Эйнштейн y Wander Johannes de Haas demostraron que al magnetizar una barra de hierro, esta gira ligeramente: el momento angular de los electrones se transfiere a la red cristalina.

Desde el Sol hacia la Tierra se precipita el viento solar, pero la magnetosfera desvía el flujo y esculpe con él colas de plasma.

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.

Una cuchara caliente en una taza de té: el calor corre por el metal desde el extremo caliente hasta el frío. En los libros de texto, este proceso se describe como el temblor de los átomos que se transmiten empujones entre sí. Pero los átomos no solo tiemblan: también giran, como pequeñas peonzas. Hasta ahora, los físicos no tenían un lenguaje común para describir ambos movimientos a la vez.

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.

En los primeros instantes de la vida del universo, el espacio estaba lleno de plasma caliente, donde las partículas aparecían y desaparecían como burbujas en una olla hirviendo.

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.

Según el Modelo Estándar, el vacío no está vacío, sino que es un océano de partículas virtuales fantasmales. Un campo electromagnético superintenso, como una tormenta, arranca pares de electrones y positrones hacia la realidad.

El láser golpea el cristal y este responde con destellos de luz, como una campana que suena al ser golpeada. Pero si la campana está caliente, su sonido tiembla y se apaga. Así ocurre aquí: los átomos del cristal vibran constantemente por el calor, y esa vibración impide que los electrones se muevan en línea recta, por lo que la luz sale tenue y borrosa.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor está suspendida en el aire, como una sábana tensada. Por ella corren ondas de calor: vibraciones de átomos que los físicos llaman fonones. Antes se pensaba que estas ondas se disipaban rápidamente debido a la fuerte interacción, y que el calor se transmitía mal.

Un rayo láser retorcido en espiral se parece a un embudo en un lavabo: la luz no solo avanza, sino que también gira. Estos rayos vorticiales ya ayudan a mover partículas diminutas y a transmitir más datos. Pero en cuanto atraviesan un medio no homogéneo, el vórtice se deshace, como el agua de un cubo agujereado.

Un cristal de titanato de bario se parece a una multitud en la que cada persona sostiene una flecha indicadora. En estado normal, las flechas apuntan en direcciones distintas, pero si se aplica un campo eléctrico, todas giran a la vez hacia un mismo lado.

En el cristal de titanato de bario hay un campo eléctrico interno, como el de un imán permanente, pero para cargas. Cuando llega un destello de luz, expulsa electrones que comienzan a agitarse, chocando con los átomos. Pero el cristal no es igual en todas las direcciones: tiene un eje a lo largo del cual el campo es más intenso.

En un líquido de espín, los átomos imán no se congelan: sus agujas magnéticas parpadean constantemente, pero de forma coordinada. Si esta danza se tuerce en una dirección, surge un líquido de espín quiral, un vórtice cuántico estable.

El vidrio de una ventana común parece congelado para siempre, pero en su interior los átomos nunca están quietos. En el telururo de germanio amorfo (GeTe), un material que se usa en discos regrabables y memorias no volátiles, los físicos han rastreado por primera vez de forma directa cómo los enlaces atómicos se estiran y se doblan en billonésimas de segundo.

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.

En los sólidos, los átomos vibran transmitiendo el sonido. A veces, esta onda no viaja en línea recta, sino que se enrolla en espiral, como un sacacorchos entrando en un corcho. En cristales comunes, estos 'vórtices sonoros' se conocen, pero en materiales magnéticos no se habían podido observar durante mucho tiempo.

Si calientas un cristal, sus átomos empiezan a vibrar con más fuerza, como cuerdas tensadas más o menos. En el cristal LaCoO3 (un compuesto de lantano, cobalto y oxígeno), al calentarlo de 2 a 650 K ocurren dos reorganizaciones importantes: alrededor de 100 K cambia el estado magnético de los iones de cobalto, y alrededor de 550 K el material pasa de aislante a…

El metal fundido se parece a una sala abarrotada donde todos esperan la señal para empezar a bailar. La cristalización es ese momento en que el caos se convierte en orden. Pero para que el baile comience, se necesita el primer paso: la aparición de diminutos núcleos de cristalización. Normalmente, para ello hay que enfriar mucho el metal.

Un cristal de óxido de magnesio se parece a una formación de soldados: los átomos están alineados en filas ordenadas y un electrón corre entre ellos. Pero si el electrón se detiene, los átomos cercanos se desplazan ligeramente de sus posiciones, como si los vecinos de la fila giraran la cabeza. El electrón queda atrapado en un hueco formado por los átomos desplazados y ya no puede moverse libremente.

Una campana no suena con una sola nota: tras el golpe, resuenan varias armónicas a la vez. Algo parecido ocurre con el núcleo atómico: después de una colisión, puede vibrar, y esas vibraciones se detectan en los rayos gamma emitidos. Pero en el núcleo de niobio-104, con 41 protones y 63 neutrones, las armónicas resultaron ser más de las esperadas.

Un material de un solo átomo de espesor y una pureza récord –apenas un átomo extraño por millón– se convierte en escenario de un fenómeno sorprendente. Al enfriarlo casi hasta el cero absoluto, los electrones en su interior, como los músicos de una orquesta, se quedan quietos en un orden estricto, formando un cristal.

Lanza guijarros a lo largo de una hilera apretada de postes: rebotan en un denso rocío. Lánzalos en ángulo y se dispersan. Los rayos gamma en un cristal hacen lo mismo: generan cascadas de partículas que se extienden a menos que las filas atómicas del cristal estén perfectamente alineadas. Alinéalas con la precisión de un cabello y la cascada se enfoca en un haz estrecho.

Según las leyes del micromundo, un electrón que obedece la ecuación de Dirac tiembla incluso en completo reposo. Esto es el Zitterbewegung, una oscilación con una amplitud de billonésimas de milímetro, como un trompo sobre un eje invisible.