movimiento orbital

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.

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.

Un rayo láser se asemeja a un vorágine veloz que atrapa por un instante al electrón que pasa. Mientras la partícula atraviesa el pulso, su espín (una rotación intrínseca, como la de una diminuta peonza) sufre un leve empujón. Al salir del haz, la peonza ya no apunta en la misma dirección: se ha girado un poquito.

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.

Es muy probable que los ordenadores cuánticos del futuro se comuniquen mediante luz. El átomo almacena la información y el fotón la transporta por la red. Pero el átomo no permanece inmóvil: tiembla, oscila, y ese movimiento puede estropear la señal. Antes, los ingenieros solo sabían calcular el caso de un átomo inmóvil.

En 1905, Einstein demostró que el movimiento caótico del polen en el agua es el resultado de los choques de moléculas invisibles. Un siglo después, los físicos aprendieron no solo a observar sino también a controlar el movimiento a nivel cuántico.

Una escalera de caracol marca el ritmo de los pasos: si un flujo de personas sube por ella, su movimiento se enrolla inevitablemente. Algo parecido ocurre en las moléculas helicoidales, como el ADN o algunas proteínas. Cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de una molécula así, los electrones no viajan en línea recta.

Una bandada de pájaros o un banco de peces a veces se enrolla en un vórtice, aunque ningún individuo dé la orden de 'girar'. Esta rotación colectiva ayuda al grupo a mantenerse unido y a mezclarse mejor. Por lo general se explica porque los propios individuos son asimétricos, como un tornillo, o se empujan unos a otros con un giro.

Sobre un sustrato de silicio se cultivó una película ultrafina de moléculas orgánicas. En ella, como en una hoja de papel cuadriculada, con la punta de un microscopio de efecto túnel se dispusieron diminutos 'corrales': átomos artificiales.

Una pequeña bolita con relleno de hierro descansa sobre una superficie, y a su alrededor gira un campo magnético. La bolita empieza a rodar como una rueda y normalmente va hacia donde gira el campo. Pero a veces, de repente, da la vuelta y rueda en dirección contraria, contra el campo.

Cerca de los agujeros negros y las estrellas de neutrones, el plasma burbujea como el agua en una tetera hirviendo. Pero en esta 'tetera' no hay paredes, solo campos magnéticos que se retuercen y se rompen.

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.

Sobre los polos de Júpiter rugen auroras polares: allí los electrones son acelerados por campos eléctricos y se precipitan sobre las capas superiores de la atmósfera, haciendo brillar el gas. Pero no todos los electrones viajan hacia abajo.

Cuando la luz arranca un electrón de una molécula, los electrones restantes no se quedan quietos: se reacomodan, como los pasajeros de un vagón cuando uno se baja en la parada. En las moléculas ordinarias, este reacomodo es casi imperceptible, pero en las quirales —espejadas, como la mano izquierda y la derecha— puede hacer que los orbitales roten.

Un haz de luz con polarización circular incide sobre un cristal de perovskita MAPbI3. Los electrones dentro del cristal comienzan a comportarse como pequeñas peonzas cuyos ejes se alinean a lo largo del haz. Este fenómeno se conoce como orientación óptica de espines.

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.

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.

Dentro de una célula viva gira un minúsculo trompo de carbono: una molécula de tamaño nanométrico. Un trompo común cae rápido, pero este se comporta distinto: es capaz de girar en dos direcciones a la vez, como una moneda cuántica eternamente congelada en su caída.

Según las leyes del micromundo, un electrón que obedece la ecuación de Dirac tiembla incluso en completo reposo. Esto es el Zitterbewegung, una oscilación con una amplitud de billonésimas de milímetro, como un trompo sobre un eje invisible.

Dos agujeros negros giran en una danza estrecha, y a su alrededor nace algo asombroso: una molécula gravitacional. Una nube de bosones ultraligeros, partículas con masa menor que un electronvoltio, envuelve al par como la nube electrónica en el ion H2+.

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.

En 1961, Stanislaw Ulam propuso un modelo sencillo: una partícula rebota entre una pared fija y otra que oscila según una ley lineal por tramos. Parecía un billar cualquiera. Pero detrás de esa simplicidad se escondía una pregunta que inquietó a los físicos durante décadas: ¿puede la partícula acelerarse hasta el infinito? La respuesta resultó paradójica. En la versión clásica, casi nunca.