fluctuaciones de fase

En las profundidades de una estrella de neutrones, donde la materia está comprimida hasta la densidad del núcleo atómico, los neutrones forman un líquido superfluido y los protones un superconductor. Un vórtice de neutrones es un vórtice cuantizado en el líquido superfluido, similar a un mini remolino que no puede detenerse.

Una pista de baile vacía, donde de vez en cuando aparece alguien. Cada uno se mueve por su cuenta, de forma caótica, sin conexión con los demás. Pero basta con poner cierta música y enfriar un poco la sala, para que los bailarines empiecen a alinearse en largas cadenas y se muevan al unísono. Así más o menos se comportan los electrones en un gas tridimensional diluido.

Un gas superfluido es como una multitud que marcha al unísono: cada átomo sabe hacia dónde moverse y no se desvía del ritmo común. Pero esta multitud tiene tres «valles»: tres direcciones diferentes por las que puede avanzar.

Gota a gota desde un grifo, o un chorro uniforme sin una sola salpicadura. Así se ven aproximadamente los dos regímenes de corriente en un contacto superconductor. Solo que el papel del agua lo desempeñan los pares de Cooper: electrones enlazados que se mueven sin resistencia.

En los albores de los tiempos, el universo experimentó un breve instante de expansión frenética: la inflación. Las diminutas vibraciones cuánticas del espacio-tiempo se estiraron hasta escalas cósmicas.

Una fina película de un cristal especial, como el disulfuro de molibdeno, reposa sobre la platina del microscopio. La temperatura es ligeramente superior a aquella en la que el material se vuelve superconductor.

Los mundos bidimensionales no dejan de asombrar: aquí incluso la fusión de un cristal no es una ruptura de simetría, sino un espectáculo de vórtices, descubierto por Kosterlitz y Thouless. En el corazón de este teatro están las singularidades topológicas, cuya energía y entropía negocian el orden.

La orquesta coordinada de electrones en un superconductor es fácil de sacar de ritmo. Los golpes térmicos destruyen el frágil orden y la resistencia regresa. Durante décadas, los científicos han buscado formas de fortalecer este conjunto, principalmente cambiando la composición del material o comprimiéndolo a presiones inimaginables.

Una película delgada de óxido de itrio, bario y cobre se calienta bajo un flujo de rayos infrarrojos y, de repente, deja de disipar energía. Esto es la superconductividad: los electrones se unen en pares y se mueven como un enjambre cuántico único.

El mundo cuántico está lleno de sorpresas. En el oscilador Kerr paramétrico —un dispositivo donde la luz queda atrapada en un anillo y es excitada por un campo externo—, recientemente se observó algo extraño: los pares de niveles de energía se funden en un abrazo. Los físicos lo han llamado 'beso espectral' espectroscopía.

Mediante espectroscopía láser — un método que puede compararse con escuchar el eco de un cristal — los físicos investigaron un material en capas. Encontraron regiones donde los electrones se mueven libremente (bolsas de Fermi) y observaron que cada una de esas regiones se comporta de manera diferente.

Un enjambre de luciérnagas apenas choca entre sí, pero cambia de color sincronizadamente intercambiando señales. Así se comportan los neutrinos en los densos flujos de estrellas en colapso: se transforman colectivamente de un tipo a otro, aunque individualmente interactúan muy débilmente.

Un superconductor conduce la corriente sin resistencia, como agua que fluye por una tubería sin fricción. El secreto está en los pares de electrones: dos electrones se unen como una sola entidad, aunque normalmente se repelen. En un superconductor ordinario, los espines de los electrones en un par apuntan en direcciones opuestas: es el estado singlete.

Un columpio puede balancearse con fuerza o apenas perceptiblemente. Por lo general, si no lo tocas, permanece en el modo elegido. Pero en el micromundo todo es diferente: una membrana diminuta que oscila bajo la acción de un rayo láser puede saltar espontáneamente de una amplitud a otra.

Dos láminas delgadas con celdas hexagonales dibujadas se superponen y se giran ligeramente. Aparece un nuevo patrón: el muaré, parecido a los reflejos de la seda. Algo similar hicieron los electrones en el experimento: se organizaron en dos capas, y una capa quedó girada respecto a la otra exactamente 30 grados.

En el helio superfluido, la fricción desaparece: el líquido fluye como un arroyo de montaña, pero sin un solo remolino. Un breve pulso láser agitó esta superficie y los científicos, con ayuda de la espectroscopía, captaron las ondas que se propagaban: ondas cuánticas con muchas velocidades.

Un gas superfluido se comporta como un líquido sin fricción. Dos nubes de este gas se conectan mediante un puente estrecho, y a través de él fluye una corriente de partículas. Esto recuerda al efecto Josephson en los superconductores, pero en lugar de electrones, son átomos neutros.

Cientos de personas en una pista de baile están a igual distancia unas de otras: un orden estricto, como en una red cristalina. La música lenta son las vibraciones térmicas, que hacen que los bailarines empiecen a balancearse ligeramente. Si la música se vuelve más fuerte y rápida, el orden se derrumba: todos se mezclan.

Un autobús abarrotado donde cada pasajero es un electrón. En un superconductor, los pasajeros se emparejan y se mueven al unísono, sin pérdidas de energía. Pero en los superconductores de alta temperatura, como los cupratos, esta idílica situación solo funciona si se suben pasajeros extra. Si, en cambio, se baja a alguien, las parejas empiezan a comportarse de manera extraña.

Un cristal de cobre se comprime en un yunque de diamante. La presión aumenta y en el interior del material se desarrolla una lucha entre dos estados: uno prepara a los electrones para la superconductividad, el otro, por el contrario, les impide unirse. Los científicos siguieron esta lucha con destellos láser ultracortos.

El láser golpea el cristal y este responde con destellos de luz, como una campana que suena al ser golpeada. Pero si la campana está caliente, su sonido tiembla y se apaga. Así ocurre aquí: los átomos del cristal vibran constantemente por el calor, y esa vibración impide que los electrones se muevan en línea recta, por lo que la luz sale tenue y borrosa.

En una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor nacen y revientan, pero el agua sigue siendo líquida. Algo similar ocurre en un gas atómico ultrafrío: los átomos forman pares constantemente y vuelven a separarse, aunque la superfluidez aún no ha llegado.

Una neurona percibe señales eléctricas como un micrófono ultrapreciso que capta las vibraciones más sutiles.

Los ordenadores cuánticos prometen resolver problemas que los convencionales no pueden abordar. Pero sus componentes, los bits cuánticos, son muy sensibles. Una variante de estos bits es el circuito oscilante, que puede estar en dos estados, como un péndulo que se balancea a la izquierda o a la derecha. Estos estados son los que almacenan la información.

Una película semiconductora de un átomo de espesor es como una membrana finamente tensada. La luz la hace brillar: se generan puntos luminosos (excitones) que se apagan rápidamente. Donde la membrana está rasgada o arrugada, el brillo tiembla y se interrumpe, como una cuerda con un nudo que suena desafinada.

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.

El helio líquido a temperaturas ultrabajas fluye sin fricción, como un lubricante ideal. En él nacen remolinos parecidos a los del agua común, pero su fuerza de rotación cambia solo por pasos fijos, como los de un tocadiscos: solo 33, 45 o 78 revoluciones.

El plasma caliente en un tokamak se parece a una bestia caprichosa: hay que contenerlo, pero sin dejar que se sobrecaliente. En el reactor ASDEX Upgrade han encontrado un modo en el que los vórtices del plasma resuelven este problema por sí solos.

Frente a la onda de choque que la Tierra crea en el viento solar, a veces aparecen gigantescas burbujas de gas enrarecido. Dentro de ellas, la densidad de partículas cae varias veces y los campos eléctricos comienzan a vibrar como una cuerda después de un pellizco.

Un superconductor ordinario pierde resistencia al enfriarse, y la corriente fluye sin pérdidas. Pero en películas ultrafinas es diferente: el material oscila entre el estado normal y el superconductor, y en ese intervalo surgen extrañas ondas de resistencia. La resistencia sube y baja, como si alguien girara la perilla del volumen.

Un ordenador cuántico es como una orquesta en la que cada músico-cúbit debe tocar su nota sin desafinar. Pero de vez en cuando irrumpe en la sala un transeúnte —una partícula de radiación del espacio— y desentona a los músicos. Estos fallos se denominan ráfagas de errores y dificultan los cálculos.

Dentro de algunos materiales, la corriente eléctrica fluye sin la menor resistencia. Son los superconductores, y solo funcionan con un frío intenso. Los óxidos de cobre son un caso especial: mantienen la superconductividad a temperaturas algo más altas, pero el porqué es un misterio desde hace cuarenta años.

En una cubeta del tamaño de una moneda, la luz se comporta como el agua: se condensa en un único fluido cuántico. Cuando se le añade energía, en ese fluido se forman espontáneamente remolinos: los vórtices cuánticos. Cada vórtice es como un pequeño torbellino que no puede desaparecer sin más. Los físicos iluminaron este fluido con un láser y tomaron instantáneas.

En un superconductor, la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si se coloca este material en un campo magnético, aparecen vórtices en su interior: pequeños remolinos donde la superconductividad se destruye.

Un cable ordinario a altas frecuencias se parece a una carretera llena de baches: la señal salta y parte de la energía se convierte en calor. Una cadena superconductora de aluminio y arseniuro de indio (un semiconductor) resulta ser una autopista lisa para las microondas.

Toda máquina, ya sea el motor de un coche o un diminuto nanorefrigerador, funciona con temblores. El combustible no se quema de manera uniforme, los electrones atraviesan los contactos sin seguir un horario, y la aguja de potencia en los instrumentos vibra ligeramente. Estas vibraciones se denominan fluctuaciones.

Dentro de una diminuta cavidad reflectante, más pequeña que el grosor de un cabello, la luz queda atrapada y se refleja repetidamente en las paredes. Si se coloca allí una sustancia capaz de absorber y emitir luz, las partículas de luz (fotones) comienzan a "vestirse" con las excitaciones de la materia, dando lugar a los modos polaritónicos.

En el cristal TiSe2, los electrones se comportan como agujas de brújula que de repente apuntan todas hacia un mismo lado. Esto se denomina estado nemático, por analogía con los cristales líquidos, donde las moléculas se alinean a lo largo de una dirección común, aunque el material en sí siga siendo líquido.

Las partículas cuánticas en un entorno con fuerte desorden se comportan como bailarines que ejecutan pasos sincronizados: cada uno conoce su movimiento y no choca con los demás. Precisamente este flujo coordinado sin fricción —la superfluidez— surgió inesperadamente en un experimento con un chip cuántico superconductor.

Un cuerpo supersólido es hielo que fluye. Como un estanque cubierto por una costra, pero con una profundidad líquida sin fricción. Normalmente, esa costra se crea alterando las propiedades de todo el líquido. Un grupo de investigadores del helio encontró un método más sencillo: hicieron vibrar la superficie con ondas especiales, y el líquido adquirió por sí mismo una «piel» sólida.