óptica no lineal

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.

Dos vasos comunicantes unidos por un tubo normalmente alcanzan el mismo nivel de agua. Aquí, en cambio, los vasos comienzan a balancearse solos porque cada uno tiene una fuga, y estas fugas son diferentes. La luz en dos huecos de un microespejo se comporta igual: los fotones fluyen de un pozo a otro, pero se pierden a distinta velocidad.

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.

En una habitación oscura, salta una chispa entre dos cables y, por un instante, se hace la luz. Los físicos han hecho algo parecido, pero un millón de veces más pequeño: en la frontera de dos cristales transparentes trazaron un camino conductor y dejaron en él una interrupción de unos pocos átomos de ancho. Cuando aplicaron un voltaje constante a esa diminuta brecha, esta comenzó a brillar.

Una esponja regada lentamente con una regadera se empapa por completo. Pero si le arrojas de golpe el mismo cubo de agua, el centro se moja y los bordes quedan casi secos. Así se comporta un material que absorbe energía de forma no lineal: cuanto más intenso es el flujo, más se queda atrapado en el punto de impacto. En este nuevo trabajo, esa imagen se convierte en un modelo mínimo.

Un haz de luz normalmente viaja en línea recta, pero se puede hacer que gire alrededor de su eje, como el agua que se arremolina al desaguar. Esta luz 'vortical' transporta más información y es necesaria para comunicaciones ultrarrápidas y computación cuántica. El problema es que antes se requerían grandes lentes, espejos y un ajuste preciso: toda una mesa óptica.

Un haz de láser débil incide sobre una diminuta estructura: una cavidad híbrida de metal y vidrio. Dentro está encerrada una única molécula luminosa. Normalmente, esa luz solo cambia ligeramente de color al dispersarse en las vibraciones térmicas de los átomos.

En 1981, Alan Guth propuso el escenario de la inflación cosmológica —una expansión vertiginosa del espacio que estiró las fluctuaciones cuánticas hasta el tamaño de galaxias enteras. Desde entonces, los cosmólogos, como arqueólogos, excavan este evento a través de las estructuras del Universo.

Las estrellas de neutrones son restos superdensos de estrellas, donde la materia está comprimida al límite descrito por Subrahmanyan Chandrasekhar. Los magnetares son una variedad con un campo magnético un cuatrillón de veces más fuerte que el terrestre.

Cuando la luz pasa cerca de un cuerpo masivo como un agujero negro, su trayectoria se curva, un fenómeno predicho por Einstein.

Una hoja de papel casi no pesa nada, pero si apilas cien hojas, obtienes un bloque notable. Algo similar hicieron con un material que es excelente para convertir un color de luz en otro, pero solo cuando tiene el espesor de un átomo. Una sola capa es como una hoja: funciona de maravilla, pero es demasiado delgada para producir mucha luz.

Una película delgada para una batería solar o una pantalla es como una multitud apretada en una plaza: cada persona está girada hacia un lado, y de hacia dónde miran todos depende si la luz atraviesa la multitud o se queda atascada. En la electrónica orgánica, el papel de los transeúntes lo juegan las moléculas.

Nadie ha visto la materia oscura, pero su atracción la siente cada galaxia. Lo más común es imaginarla como un mar de partículas idénticas y silenciosas. El nuevo trabajo dibuja un panorama más vivo: dos tipos de partículas, una pesada y otra ligera, entre las cuales hay un intercambio constante.

Una lámina ordinaria de fósforo negro se parece a un pastel de capas de átomos. Si la iluminas con una lámpara común, no ocurre nada especial: los electrones permanecen quietos, como espectadores en una sala oscura. Pero un destello láser corto, que dura millonésimas de milmillonésima de segundo, sacude esa sala.

Una lente normal siempre refracta la luz de la misma manera. Sus propiedades quedan congeladas en el vidrio para siempre. Pero ahora ha aparecido una superficie que cambia las reglas del juego mientras trabaja. Los científicos han creado una película finísima con elementos resonantes y la han impregnado con cristales líquidos, la misma sustancia que se usa en las pantallas de los teléfonos.

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.

El cristal de seleniuro de bismuto (Bi₂Se₃) es simétrico por sí mismo, como un sándwich bien preparado: dale la vuelta y nada cambia. Pero basta con girar ligeramente una capa respecto a la otra para que la simetría se rompa. El material comienza a 'sentir' de qué lado llega la luz y responde con una corriente eléctrica.

Un diminuto puente de diamante vibra con tanta fuerza que empieza a 'cantar' en muchas frecuencias a la vez. Antes, estas oscilaciones se frenaban a sí mismas: cuanto más se balanceaba el resonador, más difícil era añadirle energía. Los físicos encontraron una grieta en esta regla. Usaron luz para hacer vibrar el diamante. La luz empuja el puente, y este comienza a temblar.

Un río fluye en una dirección, mientras una ola en su superficie avanza en la contraria. Esa misma dualidad ocurre en los materiales hiperbólicos: la energía de la onda luminosa y sus frentes de onda divergen, impidiendo crear una lente nítida.

Una estrella de neutrones es una ciudad del tamaño de una metrópolis comprimida hasta las dimensiones de un pequeño asteroide. A su alrededor hierve un plasma —un gas de partículas cargadas— a través del cual corren ondas como ondas en la superficie de un estanque. Hay tres tipos de ondas: de Alfvén (A), ordinarias (O) y extraordinarias (X).

Un trozo común de semiconductor cambia débilmente el color de la luz que lo atraviesa. Durante décadas, los físicos sortearon esta limitación colocando el cristal en un entorno ingenioso, pero el material en sí seguía siendo el mismo. Ahora, los investigadores han ensamblado un "sándwich" de capas delgadas alternadas de arseniuro de galio y arseniuro de aluminio y galio.

Un láser de fibra con retroalimentación aleatoria es un hilo delgado de vidrio por el que viaja la luz, pero que no se refleja en espejos, sino en las mínimas irregularidades de la propia fibra. Este láser no emite un haz uniforme: su luz tiembla y parpadea como la llama de una vela con corriente de aire.

Dos haces de luz, uno rojo y otro azul, entran en un anillo diminuto de nitruro de silicio. El anillo es más pequeño que el grosor de un cabello humano. A la entrada, ambos haces tienen el mismo brillo. Pero dentro del anillo, uno de ellos comienza a desplazar al otro, como en una disputa entre dos personas de igual fuerza, donde una de repente toma ventaja.

En la mecánica cuántica hay estados que desafían la intuición: sus distribuciones de probabilidad se vuelven negativas, como espejismos que solo dejan pistas indirectas.