momento angular orbital

Un láser golpea un átomo y arranca un electrón. Cuanto más brillante es la luz, más fuerte es el empujón y más rápido sale el electrón. Así funciona la imagen habitual, donde la luz es una onda uniforme. Pero, ¿y si la luz no es uniforme, sino 'comprimida', con fluctuaciones cuánticas, como el temblor de una cuerda?

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.

Imagina una cuerda tensada entre dos clavijas. Una mínima caricia la hace vibrar, y por el tono del sonido se puede adivinar cómo se ha tocado. Una cuerda similar es la que han tensado los físicos de la Universidad de Arizona, pero no en un instrumento musical, sino sobre una membrana de silicio de cien nanómetros de grosor.

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.

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.

Dos estrellas giran una alrededor de la otra, acercándose gradualmente. Su danza pierde energía, y esa energía se escapa al espacio en forma de ondas gravitacionales y, a veces, de otros campos.

El electrón no es solo un punto. Es una nube de probabilidad extendida en el espacio. Cuando esta nube choca con un intenso pulso láser, puede emitir un fotón de alta energía: un cuanto gamma. Y este fotón puede no ser ordinario, sino retorcido, como un sacacorchos, portando momento angular orbital.

La onda luminosa nunca es perfectamente lisa: la agita continuamente un rizado cuántico. Estos tirones casi invisibles fueron estudiados por el premio Nobel Roy Glauber, quien sentó las bases de la óptica cuántica. Ahora los físicos han aprendido a congelar este rizado.

El vacío no es tan vacío como parece. Si un observador se mueve con aceleración, el vacío a su alrededor se calienta: esto lo predijo William Unruh ya en los años 1970. El efecto es similar a la radiación de un agujero negro, pero en un espacio plano.

En una pequeña placa de Petri hay una gota de líquido del tamaño de la cabeza de un alfiler. Un tomógrafo convencional ni siquiera la percibiría: la señal es demasiado débil. Pero si acercamos a la gota un diminuto sensor de campo magnético, la imagen cambia.

Un carrusel de luz no hace girar a personas, sino a electrones. En lugar de caballitos de madera, hay aspas invisibles hechas de luz. Ese es el «carrusel» que han construido los físicos para dar rotación a los electrones. Normalmente, para enrollar un haz de electrones en un vórtice se necesita una máscara diminuta: una plantilla con ranuras tallada a escala atómica.

La luz no son solo rayos rectos, sino ondas electromagnéticas capaces de retorcerse en el espacio, como una pareja en un vals. A su giro total los físicos lo llaman momento angular orbital, y durante mucho tiempo se pensó que obedecía a la ley de conservación — un principio fundamental que se deriva de las simetrías de la naturaleza descubiertas por…

Una cámara normal capta la luz reflejada por los objetos y con ella forma una imagen. Pero si el objeto está oculto tras un obstáculo o no refleja la luz, las ondas de radio vienen al rescate: atraviesan paredes y niebla, y una computadora reconstruye la imagen a partir de las señales dispersas.

La luz normalmente empuja a un átomo en línea recta, como el viento a una vela. Pero si el rayo se retuerce como un sacacorchos, la imagen cambia: el átomo puede salir despedido hacia un lado, como si lo hubiera enganchado una rueda giratoria.

Una pila de papel: si las hojas están perfectamente alineadas, la luz las atraviesa de manera uniforme. Pero basta con girar una hoja unos pocos grados para que la imagen cambie. Algo similar ocurre con las capas de ciertos materiales: si las giras unas respecto a otras, sus propiedades cambian, a veces de forma radical.

La luz es un flujo de fotones y, normalmente, un fotón no tiene momento magnético: no se desvía con un imán como las limaduras de hierro.

Un material magnético puede compararse con una multitud de pequeñas brújulas. En un imán normal, todas las agujas apuntan en la misma dirección, y girarlas todas a la vez no es tarea fácil. Los físicos han encontrado la manera de hacerlo con una corriente eléctrica.

Un balón de fútbol golpeado con efecto no vuela en línea recta, sino que curva su trayectoria hacia un lado. Algo similar ocurre con un rayo de luz cuando se enfoca intensamente: comienza a empujar el átomo no solo hacia adelante, sino también hacia un lado. Los físicos han medido este desplazamiento en un solo ion de calcio atrapado en una trampa de luz.

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.

Cuando un quark top nace en un detector de partículas, se desintegra inmediatamente en una cascada de otras partículas. Captar en esa cascada un indicio de nueva física es como escuchar un susurro en un concierto de rock. No basta con un buen micrófono: hay que saber restar el estruendo de los amplificadores y el rumor del público.

Los sistemas abiertos intercambian energía con el entorno, como la cuerda de una guitarra que se desvanece en el aire. Los científicos construyeron un sistema así con luz, haciendo que los haces se retorcieran como un sacacorchos y formaran una red artificial: un laberinto donde se puede controlar las pérdidas a cada paso.

Dos grandes teorías describen la realidad: una —cómo los cuerpos masivos provocan la curvatura del espacio-tiempo—, y la otra —el Modelo Estándar— gobierna las partículas elementales. Conciliarlas parece imposible, como intentar describir una tormenta oceánica con el lenguaje de una red de diamante.

Hace cien años, la mecánica cuántica regaló al mundo una imagen ordenada: la rotación de una partícula alrededor de un punto solo es posible con ciertas porciones de momento angular, números enteros multiplicados por la constante de Planck. Esta regla parecía tan inquebrantable como la ley de la gravedad y se deducía de simples consideraciones algebraicas.

Hace cien años, la mecánica cuántica regaló al mundo una imagen ordenada: la rotación de una partícula alrededor de un punto solo es posible con ciertas porciones de momento angular, números enteros multiplicados por la constante de Planck. Esta regla parecía tan inquebrantable como la ley de la gravedad y se deducía de simples consideraciones algebraicas.