superconductividad inducida por luz

Una película delgada de niquelato de neodimio de quince nanómetros de espesor descansa sobre un sustrato de galato de neodimio. Por debajo de los ciento ochenta kelvin se comporta como un aislante: los electrones están encerrados en sus celdas atómicas y no pueden moverse con libertad.

Una diminuta cápsula, parecida a una burbuja de jabón pero con una cubierta de cristales luminosos, se comporta como un láser. Mientras su pared está intacta, la luz viaja en círculo, se amplifica y sale en un haz estrecho y brillante. En cuanto la pared revienta, el haz se convierte en una mancha tenue.

El horno microondas calienta la comida, pero en el laboratorio las microondas han hecho algo distinto: han convertido un superconductor en un imán permanente. Una película de óxido de itrio, bario y cobre de 300 nanómetros de espesor, enfriada a 80 kelvin, respondió a una radiación de 5 gigahercios.

Un detector superconductor normalmente funciona como una regla honesta: absorbe un fotón y emite un pulso cuya amplitud es estrictamente proporcional a la energía. Este modo es cómodo, pero tiene un techo: una señal débil se pierde fácilmente en el ruido del amplificador. Ahora imaginemos un columpio.

Una pista de baile vacía, donde de vez en cuando aparece alguien. Cada uno se mueve por su cuenta, de forma caótica, sin conexión con los demás. Pero basta con poner cierta música y enfriar un poco la sala, para que los bailarines empiecen a alinearse en largas cadenas y se muevan al unísono. Así más o menos se comportan los electrones en un gas tridimensional diluido.

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.

Normalmente la luz no convierte un aislante en conductor: para eso se necesitan pulsos láser potentes que rompan la estructura del material. Pero en el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico todo es distinto.

En los superconductores, los electrones se unen en pares y fluyen sin resistencia. Normalmente, estos pares se distribuyen de manera uniforme, como el agua en un lago tranquilo. Pero a veces surge un rizo en el material: los pares se agrupan y se dispersan con un paso determinado. Este estado se denomina superconductividad con onda de densidad de pares.

Los materiales orgánicos emisores de luz se parecen a un cruce concurrido sin semáforo. Las moléculas reciben energía, pero en lugar de devolverla honestamente en forma de luz, a menudo se desvían hacia callejones sin salida: forman pares oscuros (exciplexos, complejos de corta vida sin emisión) o chocan entre sí, perdiendo carga.

Una orquesta sin director, donde los músicos se escuchan entre sí a través de una pared común. Así funciona aproximadamente el nuevo tipo de láser: varios átomos (emisores) se colocan a lo largo de una guía de ondas, una delgada pista para la luz en un chip. La luz de cada átomo viaja por esa pista e influye en los vecinos.

La superconductividad a menudo se representa como una danza congelada de electrones: se unen en pares y se mueven sin resistencia, como patinadores sobre hielo perfecto. Pero en los superconductores de alta temperatura, ese hielo resulta no ser tan liso.

El grafeno — un cristal bidimensional de carbono — ha tentado a los físicos durante mucho tiempo con la esperanza de una superconductividad a alta temperatura.

En algunos materiales, la corriente eléctrica puede fluir sin la menor pérdida: esto es la superconductividad. Pero antes de convertirse en superconductor, la materia suele pasar por un estado extraño: los electrones ya se sienten entre sí y forman pares, pero aún no pueden moverse en conjunto.

Un telémetro común envía un solo pulso de luz y espera su regreso, como una persona que grita al vacío y escucha el eco. Pero si se encienden varias fuentes que brillan al unísono y se analiza no el volumen, sino el ritmo del diálogo de los destellos reflejados, la imagen se vuelve más nítida.

Un diodo ordinario en electrónica funciona como una carretera de un solo sentido: la corriente solo circula en una dirección. En los superconductores, donde la electricidad fluye sin resistencia, tal comportamiento ha sido difícil de lograr durante mucho tiempo: la corriente suele ser simétrica.

La luz deja huella incluso cuando apenas existe. Un fotón individual, un diminuto paquete de energía, incide sobre una oblea de silicio y libera un puñado de electrones. El problema es que ese puñado es demasiado pequeño para ser detectado. Se necesita un amplificador.

La bombilla se enciende solo en la habitación adecuada. Así funcionan aproximadamente los fármacos fotoactivables: se "encienden" únicamente donde se dirige la luz y no tocan el resto del organismo. Esto es especialmente importante en el tratamiento del cáncer: la quimioterapia convencional golpea a todas las células en división por igual, causando graves efectos secundarios.

El láser golpea un blanco de alambres delgados y, en decenas de femtosegundos (milmillonésimas de milmillonésima de segundo), arranca de ellos un flujo de protones. Estos protones entran en un convertidor de litio y deuterio, donde nacen los neutrones.

Un láser convencional se parece a una orquesta cuyos músicos necesitan calentar antes de tocar al unísono. Primero hay que bombear energía a suficientes átomos para que se 'inviertan' y estén listos para emitir luz: esto se llama inversión de población. Solo entonces surge el haz.

Un cuchillo de cocina común de niobio, a −258 °C, de repente empieza a conducir la electricidad sin pérdidas. Así funciona la superconductividad, y se puede "activar" directamente en la superficie del metal si se dispara un láser en una atmósfera de nitrógeno.

Un alambre de cobre bajo el impacto de un láser es como una cocina donde el chef enciende la estufa y vigila el cronómetro al mismo tiempo. Los átomos de cobre comienzan a bailar, perdiendo el orden de la red cristalina, y los electrones, como camareros en el salón, sienten el cambio al instante. Pero, ¿cuánto desorden se necesita para que lo noten?

En una habitación oscura, un láser infrarrojo emite un destello y un trozo de polvo negro de K3C60, por una fracción de segundo, comienza a conducir corriente sin resistencia. La luz incide a una frecuencia de 10 terahercios, mil veces más rápida que la de un microondas.

Un grifo del que el agua no sale en chorro, sino estrictamente de a una gota: así se puede describir la fuente de fotones individuales que presentan los autores. En la luz ordinaria, los fotones viajan en multitud, como el agua de un grifo abierto.

Una lámina de grafeno es una red de átomos de carbono de un átomo de espesor. En ella se ven las más mínimas impurezas, como motas de polvo en los cristales de las gafas. Hace diez años se aprendió a esconder el grafeno entre capas de nitruro de boro, algo así como poner una hoja frágil entre dos trozos de film transparente.

Un destello láser de 50 femtosegundos es como un disparo que dura una milmillonésima de segundo. En ese tiempo, la luz recorre solo 15 micrómetros, menos que el grosor de un cabello humano. Pero si ese destello se hace pasar por un amplificador, empieza a estirarse como una goma elástica y pierde su nitidez.

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.

Un diminuto rayo láser roza un cristal por un instante y, como por arte de magia, se encienden en su interior lucecitas cuánticas individuales. No es un truco, sino una nueva forma de crear cúbits, las celdas de trabajo de los futuros ordenadores cuánticos.

La memoria de una computadora convencional gasta energía constantemente para almacenar unos y ceros. Pero los superconductores conducen la corriente sin pérdidas: si se pudiera construir una memoria con ellos, consumiría casi nada de electricidad. El problema es que los superconductores no saben recordar: su estado cambia con demasiada facilidad.

Una lámina de grafeno es una red de átomos de carbono que se asemeja a un panal de abejas. Los electrones en ella se mueven tan rápido como si no tuvieran masa, igual que la luz. Cuando un potente pulso láser incide sobre la lámina, los electrones reciben un empujón y comienzan a acelerarse.

Un superconductor normal solo funciona en el congelador de la naturaleza: a temperaturas por debajo de los cien grados bajo cero. El material de bolas de carbono K₃C₆₀ no es una excepción: sin frío, opone resistencia a la corriente, como una multitud en un pasillo estrecho.

El espacio vacío nunca está realmente quieto. Está lleno de diminutas fluctuaciones de energía, como la arcilla cruda de un escultor. En un nuevo experimento, se colocó una fina película de material superconductor dentro de una cavidad diseñada para atrapar luz de terahercios, una forma de radiación invisible.

En un superconductor ordinario, los electrones se unen en pares que permanecen quietos: su impulso total es cero. Pero puede ser diferente: los pares adquieren un impulso común y comienzan a moverse, como un banco de peces nadando contra la corriente. Este estado se llama onda de pares y es muy caprichoso: se necesitan condiciones especiales.

Una película delgada de un compuesto de bismuto y selenio reposa sobre un sustrato. Un destello láser de una millonésima de milmillonésima de segundo la golpea. Cerca hay un imán cuyo campo es más débil que el de un imán de nevera.

La superfluorescencia es la exhalación sincronizada de luz de un cristal. Los investigadores acaban de presenciar su imagen especular: la superabsorción, una inhalación coordinada. Bombardearon nanocristales de perovskita baratos con pulsos láser (spectroscopy) y vieron un estallido de absorción en reversa temporal.