transición de fase

Los electrones en una película ultralimpia de arseniuro de galio se comportan como una multitud en una encrucijada donde la dirección la marca la inclinación del campo magnético. Con inclinación cero, forman un líquido compresible de fermiones compuestos, partículas formadas por un electrón y un par de vórtices.

El mapa de la materia nuclear densa se asemeja a un mapa de carreteras: las líneas de transición de fase se cruzan en puntos críticos, como las autopistas en los cruces. Hasta ahora, en ese mapa se encontraban dos cruces: la transición nuclear líquido-gas y la de desconfinamiento, donde los hadrones se descomponen en quarks.

El mapa de la materia nuclear densa se asemeja a un mapa de carreteras: las líneas de transición de fase se cruzan en puntos críticos, como las autopistas en los cruces. Hasta ahora, en ese mapa se encontraban dos cruces: la transición nuclear líquido-gas y la de desconfinamiento, donde los hadrones se descomponen en quarks.

En el interior de la Tierra, a profundidades de entre 660 y 2900 kilómetros, se encuentra una capa llamada manto inferior. Allí la presión alcanza 1,3 millones de atmósferas y la temperatura es comparable a la de la superficie del Sol. En estas condiciones existe la davemaoíta, el tercer mineral más abundante del manto inferior.

La cámara no captura una carrera, sino una danza de átomos. En el dióxido de vanadio, la transición del estado aislante al metálico ocurre en billonésimas de segundo, pero hasta ahora nadie había visto cómo se mueven exactamente los átomos de vanadio y oxígeno.

En una capa fina de cristal líquido, las moléculas suelen estar como cerillas en una caja: alineadas en una dirección, pero desordenadas: unas miran hacia arriba, otras hacia abajo. Para conseguir que todas las cerillas miren en la misma dirección, se necesita una disposición especial de las moléculas. Los científicos han encontrado un truco químico que lo logra casi automáticamente.

En el cristal laminar CrSBr, los momentos magnéticos de los átomos están alineados como notas en una partitura: dentro de cada capa apuntan en la misma dirección, y entre capas, en direcciones opuestas. Esta melodía antiferromagnética suena hasta 132 kelvin, y más allá, el movimiento térmico destruye el orden.

Si se hace pasar corriente por dos conductores soldados, la unión se calienta o se enfría: es el efecto Peltier, en el que se basan las neveras de los automóviles.

Cuando la partícula ψ(2S) se desintegra en un protón y un antiprotón, dos mecanismos diferentes actúan simultáneamente: la interacción fuerte, como un pegamento que mantiene unidos a los quarks, y la electromagnética, como la luz que repele las cargas. Sus contribuciones se suman con un cierto desfase.

Un intérprete que se ha aprendido todas las réplicas de antemano responde al instante — no necesita escuchar toda la conversación de nuevo. Así funciona el nuevo modelo: no hace correr átomos en la computadora durante horas, sino que entrega de inmediato la energía libre del cristal a cualquier temperatura y presión.

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.

El grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, puede cambiar sus propiedades magnéticas como el agua cambia de forma: ora fluye, ora se congela en hielo. En el nuevo trabajo, los físicos han mirado por primera vez dentro de este proceso con un sensor del tamaño de la punta de una aguja.

Cuando dos núcleos atómicos chocan, nace una diminuta bola de fuego. Vive un instante, pero en su interior se suceden épocas enteras: compresión, calentamiento, expansión.

El hielo común se convierte en agua a cero grados. Y la materia a densidad nuclear —el plasma de quarks y gluones— experimenta algo parecido a unos 155 MeV (aproximadamente dos billones de grados). Solo que aquí no se funde una red cristalina, sino el llamado condensado de quarks: un mar de vacío que da masa a las partículas.

Un diminuto sándwich de óxidos, cultivado capa a capa, se vuelve perfectamente conductor a unos 200 grados bajo cero. No es un truco, sino un nuevo capítulo en la búsqueda de superconductores de alta temperatura.

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 una ladera empinada, una sola piedra que cae a veces desata una avalancha y otras veces se atasca. Todo depende del estado de la pendiente.

El Universo justo después del Big Bang parecía un caldero hirviente: por doquier estallaban y crecían burbujas de un nuevo estado de la materia. Eran transiciones de fase de primer orden, exactamente como la ebullición del agua. Solo que la temperatura alcanzaba billones de grados.

En una sala enorme hay bolas de billar esparcidas. Al principio están dispersas, cada una por su cuenta. Luego alguien añade más, y de repente las bolas se comprimen en grupos densos. Esto es una transición de fase: el momento en que la materia cambia bruscamente de estado.

En un vaso de agua, el aceite se acumula en gotas: es una separación en equilibrio dictada por la química. Pero hay sistemas donde el orden no nace del reposo, sino de un flujo constante de energía.

El agua se convierte en hielo a cero grados: de golpe, sin estados intermedios. Algo parecido ocurre con la complejidad cuando tomamos un estado cuántico aleatorio de un sistema completo y miramos solo una parte. Mientras esa parte ocupa menos de la mitad del sistema, su complejidad crece suavemente. Pero en cuanto la proporción supera el 50%, se produce un salto.

El agua hierve a cien grados, eso lo sabe todo el mundo. Pero, ¿por qué precisamente a cien? ¿Por qué no de forma gradual, sino de golpe: hace un segundo era líquido y, de repente, burbujas, vapor, efervescencia? Estos cambios bruscos se denominan transiciones de fase y tienen una base matemática rigurosa.

Imaginen el agua como un salón de baile, donde cada molécula es un bailarín que entabla constantemente fugaces alianzas. Estos enlaces de hidrógeno generan patrones locales: unos recuerdan un vals remilgado —una red ordenada con vacíos (estructura de baja densidad)—, otros un frenético jitterbug, donde las parejas se apiñan en caóticos racimos densos.

El efecto Mpemba es un enigma: el agua caliente a veces se congela más rápido que la tibia. Normalmente se relaciona con cómo el agua pierde calor y entropía (medida del desorden). Pero en un vaso de agua, el caos impide un modelo preciso. Los físicos construyeron un modelo cuántico: una partícula en un pozo con dos huecos separados por una barrera.

El agua no es simplemente una sustancia mojada. A escala de picosegundos, se asemeja a una pista de baile donde las moléculas rompen y crean enlaces continuamente. Normalmente, este baile se describe con un movimiento principal: la relajación colectiva, como si toda la multitud se desacelerara al mismo tiempo después de apagar la música.

Una estrella de neutrones es una ciudad comprimida hasta el tamaño de una metrópolis, donde la materia está densificada al límite. En el mismo centro de esa ciudad puede comenzar una remodelación: los neutrones y protones habituales ceden su lugar a un plasma de quarks, los quarks libres que componen casi todo lo que nos rodea.

El diamante es símbolo de perfección, pero su verdadera magia se revela a través de las imperfecciones. La pureza ideal de la red otorga transparencia y dureza, mientras que los defectos —como los centros de color— abren un portal al mundo cuántico, convirtiéndose en la base de computadoras cuánticas y…

La familia de los niquelatos son cristales en capas, parecidos a una pila de panqueques: las capas de níquel y oxígeno se alternan con intercapas de lantano.

A veces, el agua en una taza caliente se congela más rápido que en una tibia. Esta paradoja tiene más de medio siglo y se llama efecto Mpemba. Por lo general, se atribuye al movimiento del líquido o a la evaporación. Ahora, los físicos han demostrado que un truco similar es posible sin agua, simplemente mediante la emisión de calor.

Normalmente, la superconductividad es una historia de frío. Cuanto más baja la temperatura, más fácil que los electrones se emparejen y fluyan sin resistencia. Pero en un nuevo trabajo, los físicos cultivaron películas delgadas de niquelatos con una adición de europio y observaron el panorama inverso.

Si se comprime agua entre dos cristales de modo que solo quepan dos capas de moléculas, se convierte en algo intermedio entre líquido y hielo. A temperatura ambiente, las moléculas en esa trampa aún se mueven, pero ya se alinean formando una especie de red cristalina.

En algunos materiales, la corriente eléctrica puede fluir sin la menor pérdida: esto es la superconductividad. Pero antes de convertirse en superconductor, la materia suele pasar por un estado extraño: los electrones ya se sienten entre sí y forman pares, pero aún no pueden moverse en conjunto.

Un tobogán con tres huecos: el más profundo es la posición estable de la canica, el del medio es inestable. Un pequeño empujón y la canica rueda hacia abajo. Sin embargo, una vibración constante con la intensidad adecuada puede mantenerla en el hueco del medio durante mucho tiempo.

Dentro de una estrella de neutrones, la materia se comprime tanto que los núcleos atómicos dejan de ser grumos separados. Los neutrones y los protones se acercan entre sí, y sus interiores —los quarks— comienzan a sentir a los vecinos a través de las paredes de sus "sacos".

Hielo, agua, vapor: transiciones de fase que todos conocemos. Pero, ¿qué ocurre si comprimimos y calentamos el propio núcleo atómico? Los teóricos creen que los protones y neutrones que lo forman se "funden", liberando piezas más pequeñas: los quarks y gluones del modelo estándar.

El agua hierve en una cacerola y las burbujas de vapor no aparecen en cualquier lugar — se adhieren preferentemente a rayones o partículas de polvo en el fondo.

Dentro del protón hierve la vida. Los quarks no están simplemente sentados: los mantienen unidos unas partículas portadoras, los gluones (de la palabra glue, pegamento). Normalmente, este pegamento está distribuido uniformemente, como mantequilla sobre una sartén. Pero cuando las energías se vuelven enormes, los gluones empiezan a agruparse en grumos.

Los cristales de tiempo son fases cuánticas de la materia que oscilan espontáneamente, como un diapasón con un eco infinitamente prolongado. Si un cristal espacial ordinario repite un patrón atómico en el espacio, rompiendo la simetría traslacional, un cristal temporal muestra periodicidad en el tiempo, rompiendo la simetría traslacional temporal.

Una larga cadena de átomos, y cada uno es un diminuto imán. Se comunican entre sí y con el campo externo, como músicos en una orquesta que escuchan tanto al director como a sus compañeros. Cuando el campo externo cambia, la orquesta o toca desafinada o todos los instrumentos entran sincronizados: eso es una transición de fase cuántica.

El té caliente en el congelador no se cubre de hielo de inmediato. Primero, diminutas agujas de hielo se agitan en él: aparecen y se derriten hasta que la temperatura baja lo suficiente para que el hielo se fije por completo. Más o menos así se comportaba el universo temprano cuando se enfriaba y cambiaba su estructura interna.