dispositivo optoelectrónico

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 una habitación oscura se puede sostener una esfera luminosa sin tocarla: las paredes de rayos la empujan, pero no la queman. Así, más o menos, funciona la trampa que se construyó en Río de Janeiro para células de levadura. Unas pinzas ópticas normales, es decir, un rayo láser enfocado, actúan como tenazas de luz, pero esa misma luz atraviesa la célula de parte a parte.

La luz en una fibra óptica se parece a un arroyo: fluye dentro del hilo de vidrio y no se derrama hacia afuera. Un hilo grueso deja pasar muchos arroyos a la vez; uno delgado, solo uno. Los astrónomos a menudo necesitan verter la luz de un hilo grueso en varios delgados para descomponerla en colores.

Un rayo láser normal va recto, como la luz de una linterna. Pero la luz se puede retorcer en espiral, como el hilo de un sacacorchos. Ese rayo lleva momento angular orbital: no solo ilumina, sino que también hace girar todo lo que encuentra. Los físicos dirigieron esta luz retorcida hacia un plasma para acelerar electrones.

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.

Los electricistas que trabajan con alta tensión se parecen a los buzos: necesitan ver lo que ocurre en las profundidades, pero sin bajar ellos mismos. Para eso hace falta un sensor que se mantenga alejado de la corriente peligrosa y envíe la información a la superficie.

Una pila de cartas de juego yace inmóvil. Puedes deslizar la carta superior con el dedo y moverla: eso es una intervención brusca. O puedes soplar suavemente para que toda la pila cambie de forma por un instante, sin que las cartas salgan volando. Así, aproximadamente, la luz en este nuevo experimento reorganiza el cristal de seleniuro de estaño (SnSe).

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.

Los sensores pasivos se comunican reflejando ondas de radio, como un eco. El ahorro de energía es evidente, pero muchas reflexiones se mezclan en una masa confusa. Esto recuerda a un coro donde cada cantante repite su parte sin director. El nuevo método asigna a cada sensor un ritmo particular: un código digital.

El electrolito sólido no es una simple red cristalina, sino una auténtica metrópolis bulliciosa para los iones. Cada acto de conducción se asemeja a un viaje por la ciudad: hay amplias avenidas con baja barrera energética, atascos sin salida en cuellos de botella y desvíos traicioneros donde un ion puede quedarse atrapado.

Un interruptor que sabe por sí solo hacia dónde fluir. Así funciona un diodo de Josephson: un puente superconductor donde la corriente pasa con facilidad en un sentido y encuentra resistencia en el otro. En el nuevo trabajo, ese puente se fabricó con grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor.

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.

Un detector común de fotometría no distingue un fotón izquierdo de uno derecho. Pero en cuanto empieza a moverse, todo cambia. Un barquero rema entre dos flautistas que tocan la misma nota. Su oído está ajustado estrictamente a ella y es sordo a todas las demás alturas. Debido al movimiento, la melodía delante se vuelve más aguda y la de detrás más grave.

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.

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 sensor de luz común responde a la pregunta «cuánta luz hay», pero no «de dónde viene». Para eso se usan lentes, espejos o matrices enteras. En el nuevo trabajo se propone un sensor que, sin óptica alguna, determina por sí mismo la dirección del rayo. Dentro del sensor hay una capa delgada donde los electrones se deslizan libremente, como agua en un plato poco hondo.

Una linterna ilumina el ojo y la retina responde con impulsos eléctricos, como un eco, pero de luz en lugar de sonido. Ese eco puede registrarse y revela cómo funcionan no solo el ojo, sino también el cerebro. Después de todo, la retina es un trozo de cerebro expuesto al exterior.

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?

Los píxeles azules en las pantallas son como bombillas que se funden rápido. Los diodos orgánicos de luz azul habituales son inestables: su luz se atenúa con el tiempo y el color se desvía. Los químicos encontraron un sustituto: el metal raro europio.

Una memoria USB común guarda bits en trampas de electrones, pero solo se pueden leer mediante un cable y un amplificador separados. En el nuevo desarrollo, el mismo trozo de semimetal teluro hace las veces de almacén y de bombilla.

La luz puede transportar información más rápido que cualquier electrónica. Pero normalmente, entre el ordenador y el láser se encuentra un convertidor digital-analógico, un dispositivo que convierte los ceros y unos en señales eléctricas. Es precisamente lo que frena todo el proceso. El nuevo transmisor prescinde de este intermediario.

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.

En una molécula, similar a la clorofila y construida a partir de carbono, un átomo de metal en el centro funciona como un interruptor. Desplazándolo una fracción de nanómetro, se puede hacer que la molécula brille, se apague o amplificar su brillo cientos de veces.

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.

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 rayo láser estable es como una cuerda tensa: si vibra aunque sea un poco, la música se convierte en cacofonía. En una computadora cuántica, el láser mantiene los átomos atrapados, y cualquier vibración en la frecuencia rompe el cálculo. Por eso, antes, los montajes láser ocupaban mesas enteras y su ajuste tomaba semanas.

Las ondas de radio nos rodean, pero el ojo no las ve. Un nuevo sensor del tamaño de una uña las convierte en una mancha de color en una pequeña pantalla. Dentro del chip hay una capa de cristales líquidos, los mismos que se usan en las pantallas de los teléfonos. Entre ellos se entretejen finos hilos ferromagnéticos. Cuando llega una onda de radio, los hilos se calientan rápidamente.

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.

La luz de una estrella tarda millones de años en llegar hasta nosotros, pero en el telescopio sigue viéndose como un punto: está demasiado lejos. Para ver la superficie de una estrella se necesita un instrumento del tamaño de una ciudad. En Chile ya se está construyendo ese gigante: el ELT, con un espejo de 39 metros formado por 798 segmentos hexagonales.

La luz no es solo un rayo, sino una onda con un campo eléctrico que cambia a una velocidad inimaginable para los relojes comunes. Hasta ahora, ese campo solo se podía medir en un punto, como la temperatura con un solo termómetro.

Las fuentes modernas de rayos X se parecen a una orquesta sin director: los electrones en el haz van cada uno por su lado y la radiación sale borrosa. La nueva idea es hacer que los electrones se alineen en filas uniformes con un paso de varios nanómetros. Entonces la luz que emiten se vuelve coherente, como un rayo láser.

Un rayo láser incide sobre la piel y los tejidos responden con un eco ultrasónico apenas audible. Gracias a ese eco, los médicos pueden ver vasos sanguíneos y tumores sin hacer incisiones. Pero antes de que la imagen aparezca en la pantalla, hay que limpiar la señal del ruido, como un cocinero que retira la espuma del caldo para que quede transparente.

Un termo con xenón líquido, enfriado a menos cien grados. Dentro, sensores sensibles que captan señales raras de partículas de materia oscura. Para sacar esas señales fuera, normalmente se usan cables de cobre. Pero en el camino largo la señal se debilita y los cables vecinos empiezan a "cuchichear" entre sí: eso se llama diafonía.

En el océano a veces surge una ola solitaria enorme que crece de la nada y desaparece. Estas olas gigantes son raras pero peligrosas. Destellos raros y potentes similares ocurren en otros sistemas, desde los mercados financieros hasta los láseres. El problema es que son difíciles de predecir y mucho más de provocar a voluntad.

En el laboratorio, sobre la mesa, hay una trampa láser: una mano invisible que sostiene en el aire una esfera de vidrio del tamaño de una bacteria. Junto a ella, un resonador de espejos donde la luz rebota entre dos paredes reflectantes.

Una impresora que no imprime con tinta, sino con metal y cerámica, ya es una realidad. Los científicos tomaron una gota común de agua con sales metálicas disueltas y lograron que depositara sobre la superficie, según el caso, cobre, óxido de zinc o hidróxido de níquel. Todo ello con una precisión de millonésimas de metro. El secreto está en la electricidad.

La luz no siempre viaja en línea recta. Su onda se puede retorcer en espiral, como el chorro de agua que sale de una manguera cuando se gira rápidamente. Esa torsión se denomina momento angular orbital, y en ella se puede ocultar información: cada vuelta es como un canal de comunicación separado.

Un rayo láser atraviesa una cubeta de vidrio con vapor de rubidio, y por cómo los átomos absorben la luz se puede conocer su temperatura. Es como medir la velocidad de los coches por el desenfoque de una fotografía: cuanto más rápido se mueven los átomos, más ancha se vuelve la línea de absorción.

En el aire de las naves industriales y los laboratorios flotan moléculas invisibles de disolventes. Uno de ellos, el acetonitrilo, apenas huele, pero en concentraciones altas perjudica la salud. Los sensores convencionales para detectarlo son voluminosos y caros, mientras que aquí tenemos una fina película cristalina que reacciona por sí sola a la presencia de los vapores.

Cada respiración y cada movimiento muscular funcionan gracias a un flujo de electrones que circula a través de proteínas dentro de las células. Estas proteínas no son estáticas: cambian constantemente de forma, como un resorte que se comprime y se estira. Pero hasta ahora nadie había visto cómo esos movimientos abren o cierran el paso a los electrones.