transición metal-aislante

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 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.

En la cámara oscura de la trampa, miles de partículas cargadas danzan bajo los campos eléctricos. Al principio se mueven libremente, como una multitud en una plaza, pero en cuanto se enfría la nube, la danza se ralentiza: los iones empiezan a sentirse entre sí, sus pasos se vuelven rígidos.

Una orquesta congelada en la que los músicos cambian de asiento cuando el director, el magnetismo, marca una nueva partitura. En el cristal de espinela, los átomos de hierro y magnesio se sientan en dos tipos de butacas: unos rodeados por cuatro vecinos, otros por seis.

El armazón magnético del cristal EuMnSb2 recuerda a un andamiaje: los átomos de manganeso forman postes verticales rígidos, y los de europio, travesaños móviles. Hasta ahora no había consenso sobre el ángulo de inclinación de estos travesaños en reposo ni sobre cómo giran cuando el campo magnético presiona sobre el andamio.

Si se hace pasar corriente por dos conductores soldados, la unión se calienta o se enfría: es el efecto Peltier, en el que se basan las neveras de los automóviles.

El interruptor hace clic y la luz se enciende. Pero hay interruptores que, con la misma pulsación, pueden encender la lámpara o dejar la habitación a oscuras. Además, recuerdan lo que hicieron la última vez y, a veces, parecen lanzar una moneda al aire para decidir si encienden la luz.

Una autopista donde los flujos opuestos no solo están separados por lados distintos, sino por dos carreteras independientes, cada una con su propia entrada y salida. Algo parecido ocurre con los electrones en un nuevo tipo de aislante topológico descrito por los autores del trabajo.

El cristal estratificado La₃Ni₂O₇ bajo presión se comporta como una orquesta en la que el director cambia el volumen de los distintos grupos de instrumentos. Al comprimirlo, aumentan los saltos de electrones entre capas; parecería que esto debería reforzar la superconductividad. Pero al mismo tiempo, parte de los electrones se vuelve demasiado móvil.

En un cristal bidimensional de diseleniuro de wolframio (WSe₂), la luz crea pares: un electrón y un hueco que permanecen unidos. Estos pares se denominan excitones. Entre ellos hay algunos "oscuros" que apenas emiten luz, pero son precisamente los que marcan la pauta a bajas temperaturas.

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.

Los cristales pegados por fuera y por dentro de una pared metálica funcionan como un canal invisible. Uno, al recibir corriente, empieza a vibrar, y esas vibraciones, como ondas en el agua, se propagan en todas direcciones por el metal. El cristal interior capta ese temblor y vuelve a generar electricidad.

Algunos cristales se comportan como un interruptor: basta con cambiar un poco la temperatura o la presión para que pasen de conductores a aislantes. Esto se llama transición metal-aislante (cambio en la capacidad de conducir corriente).

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

Dos capas delgadas de un semiconductor se giraron una respecto a la otra en 2,29 grados, como dos hojas de papel transparente con rejillas dibujadas. Donde las líneas casi coinciden, aparece un gran patrón de manchas oscuras y claras. Los electrones en este patrón se comportan de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal ordinario.

Una barra de metal, al calentarse, de repente se vuelve rígida y, de paso, pierde o gana propiedades magnéticas. En aleaciones a base de níquel y manganeso, estas transformaciones no ocurren de forma gradual, sino de golpe: los átomos se reordenan en una nueva estructura y el material cambia su comportamiento.

Dos láminas de semiconductor tan finas como papel se superponen y se giran ligeramente, unos tres o cuatro grados. Las redes atómicas no coinciden y aparece un patrón grande: el muaré, parecido a la ondulación de dos tablas de lavar desplazadas un pequeño ángulo. En este patrón, los electrones se mueven de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal normal.

Dos hojas de papel apiladas, al calentarse, comienzan a deslizarse imperceptiblemente una sobre otra. Algo así ocurre con las capas de disulfuro de molibdeno, un material de un átomo de espesor. A temperatura ambiente, se deslizan espontáneamente a una velocidad de aproximadamente un metro por segundo.

Una batería de iones de litio se parece a un edificio de varias plantas donde en cada piso viven iones de litio. Cuando se carga la batería, los iones se mudan de un piso a otro, y todo el edificio se calienta un poco. Normalmente, ese calor se disipa de manera uniforme, como el de un suelo radiante. Pero a veces en un punto hace demasiado calor, y entonces todo el edificio puede arder en llamas.

Un memristor es una resistencia con memoria: tras cortar la corriente, conserva su resistencia. En su interior, una fina película de óxido metálico está intercalada entre dos electrodos metálicos.

En un trozo sólido de aleación de estaño y plomo, las capas de los dos metales están apiladas como las páginas de un libro. Al calentar desde un lado, las capas no se funden de manera uniforme, sino con lenguas y dedos caprichosos.

Un superconductor es un material que, al enfriarse fuertemente, pierde su resistencia eléctrica: la corriente fluye sin pérdidas. Los científicos tomaron un cristal laminar de PdTe2, parecido a una pila de hojas de papel, y lo enfriaron por debajo de 1,8 kelvin (aproximadamente -271 °C). En esas condiciones, el PdTe2 se vuelve superconductor.

Un transistor normal de un teléfono se crea en una cámara de vacío, donde los átomos se depositan capa a capa. Es caro y lento. Pero el óxido de indio se puede imprimir como tinta: a partir de una gota de metal líquido que, al aire, se cubre sola con una fina película de óxido. Los autores tomaron indio, lo fundieron y lo extendieron sobre un sustrato a 250 grados.

El calor fluye a través de la materia como el agua por las tuberías: a veces rápido, a veces apenas. Los ingenieros buscan materiales que casi no dejan pasar el calor, como tuberías obstruidas. Estos aislantes son clave para el ahorro energético y los dispositivos que transforman calor en electricidad.

En un cristal aislante, el calor normalmente se propaga del extremo caliente al frío. Pero si se activa un campo magnético, parte del flujo de calor se desvía hacia un lado, como el agua que, al deslizarse por una pendiente, se desplaza ligeramente hacia un costado cuando el viento la empuja. Este comportamiento se conoce como efecto Hall térmico.

Si empujas calor a través de un trozo de cuarzo, normalmente va recto, como el agua por una tubería. Pero en cuanto enciendes un campo magnético, el flujo se desvía un poco hacia un lado, como si la tubería de repente tuviera una derivación lateral.

Dos coches idénticos salen de la misma cadena de montaje. Carrocería, ruedas, volante: todo coincide. Solo que uno lleva un motor de gasolina normal y el otro uno híbrido que se puede ajustar a la carretera. Y el híbrido se cala a los pocos kilómetros, mientras que el de gasolina recorre decenas.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor es como una malla metálica flexible por la que los electrones se mueven casi sin obstáculos. Apila dos de estas láminas con un ligero desplazamiento y las propiedades del material cambian drásticamente: puede convertirse en un aislante que no conduce la corriente.

Una película fina de óxido de níquel de unas decenas de nanómetros de espesor es como una hoja de papel doblada cientos de veces más fina. A temperatura ambiente conduce la electricidad, pero basta con enfriarla un poco para que se convierta en un aislante.

El cristal cambia su geometría interna como el armazón de un edificio que se ladea ligeramente durante un terremoto.

Una gota de metal líquido se desliza por un canal estrecho, como mercurio de un termómetro roto. No necesita motor: el combustible es una reacción química con el líquido circundante. Pero, ¿qué ocurre cuando la gota choca contra una pared?

El cristal Pr₄Ni₃O₁₀ está dispuesto como un sándwich de tres capas: capas de óxido de níquel separadas por intercapas de praseodimio. Al enfriarse, se activan por turnos tres regímenes magnéticos — como si dentro del sándwich primero se alinearan los espines del níquel, luego se reordenaran ligeramente, y después se les unieran los espines del praseodimio.

La soldadura convencional no sirve para circuitos cuánticos: al enfriarse hasta la temperatura del helio líquido, el metal se agrieta y los contactos introducen ruido.

El cristal de óxido de osmio OsO₂ se parece a un adolescente testarudo: en condiciones normales se comporta como un metal común, pero basta con apretar con más fuerza y su carácter cambia.

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.

Un cable delgado hecho de un material especial, un aislante topológico, se comporta como una calle de ciudad: por dentro está vacío y todo el tráfico circula por los bordes. Los electrones en ese cable se mueven solo por la superficie, como peatones por la acera sin pisar la calzada.

Un cable normal se calienta cuando lo atraviesa la corriente. Un superconductor, no. Pero casi todos los superconductores conocidos funcionan o a temperaturas muy bajas o bajo presiones enormes, como en el interior de los planetas. Los científicos llevan tiempo buscando un material que evite esos extremos.

Muy por debajo de nosotros, a cientos de kilómetros de profundidad, hay una capa que sabe absorber agua como una esponja. Los minerales que la componen —wadsleyita y ringwoodita— pueden retener en su red cristalina hasta un 1–2% de agua en peso.

Una película delgada del compuesto de manganeso, bismuto y teluro se parece a un pastel de capas: cada capa es un plano atómico, y los momentos magnéticos dentro de la capa están alineados como las agujas de una brújula.

Los físicos construyeron una cadena de átomos de Rydberg: átomos con electrones en órbitas enormes, del tamaño de trayectorias planetarias. Estos átomos gigantes sienten fuertemente a sus vecinos, convirtiendo la cadena en un análogo cuántico de una cuerda.