cristal fonónico

Las olas en la superficie del agua normalmente se rompen contra cualquier obstáculo: una piedra, un pilote, una isla. ¿Pero qué pasaría si colocas los obstáculos de manera tan astuta que la ola casi no los note? En un nuevo trabajo, los científicos dispusieron sobre el agua un patrón de muchos puntos, colocados según reglas matemáticas especiales, y enviaron olas a través de ellos.

Un vórtice magnético se parece a un pequeño remolino en el mar, solo que en lugar de agua gira la magnetización. Estos vórtices podrían convertirse en celdas de memoria en las computadoras del futuro, pero para escribir y leer información hay que poder mover cada vórtice por separado. Hasta ahora se hace de forma burda: se desplaza todo el conjunto de una vez.

Dos láminas transparentes con círculos dibujados. Si se superponen exactamente, los círculos coinciden. Pero basta con girar ligeramente una lámina para que aparezca un nuevo patrón: en unos sitios los círculos se agrupan, en otros se separan. Así funciona más o menos el efecto muaré: un dibujo inesperado que surge al girar dos estructuras periódicas.

Los patrones muaré son familiares para todos. Dos peines con distinto paso, superpuestos, muestran franjas oscuras. Algo similar surgió en el tiempo. Los físicos tomaron una nube de átomos de Rydberg —partículas con órbitas electrónicas excepcionalmente grandes— y la iluminaron con dos láseres.

Un mosaico de cuadrados y triángulos cubre el suelo sin dejar huecos, pero no forma un patrón repetitivo simple. Tal diseño es un cuasicristal, un sólido donde los átomos no se colocan periódicamente, sino siguiendo un patrón de varias ondas de distinta longitud. Estas ondas son inconmensurables entre sí y juntas crean un orden de largo alcance.

Doblar una hoja de papel es fácil. Pero comprimirla empujando desde el borde es harina de otro costal: el papel se arruga, pero apenas transmite la fuerza más allá. Así funciona la elasticidad ordinaria: la deformación depende de dónde y cómo se presione. La nueva red tridimensional lleva este contraste al extremo.

En el mundo de los materiales bidimensionales a veces nacen estados tan inusuales como frágiles. Uno de ellos — el cristal anómalo fraccionario de Hall (FAHC) — es como un centauro cuántico: mitad red ordenada, mitad líquido topológico.

Imagina un río en un rápido: la corriente se acelera hasta que ninguna ola puede ir contra la corriente. Así es el gas cerca de un agujero negro: al alcanzar la velocidad del sonido, se encierra a sí mismo — nace un agujero negro acústico, gemelo del abismo gravitacional.

En lo profundo de un cristal de diamante, salpicado de centros NV, dormita una sinfonía. Cada defecto es como un diapasón, listo para resonar con una onda acústica que pasa. Pero por separado, sus voces son apenas audibles: la interacción entre el espín y el fonón es más débil que un susurro.

Un diminuto cristal de átomos cargados, atrapado en una trampa, tiembla por el calor. Cada ion oscila como una bolita en un resorte, y estas oscilaciones impiden utilizar el cristal para operaciones cuánticas precisas. Normalmente, el exceso de energía se elimina con un láser: el haz golpea los iones y frena su movimiento, como una corriente de aire que amortigua un péndulo.

Un péndulo que oscila por sí solo, sin que nadie le dé cuerda: en el mundo cuántico, estos “péndulos” se llaman cristales de tiempo. En ellos, el movimiento rítmico surge espontáneamente y no se desvanece. Pero hasta ahora, controlar ese ritmo era casi imposible: cualquier intervención amenazaba con destruir el frágil orden.

Una cuchara caliente en una taza de té: el calor corre por el metal desde el extremo caliente hasta el frío. En los libros de texto, este proceso se describe como el temblor de los átomos que se transmiten empujones entre sí. Pero los átomos no solo tiemblan: también giran, como pequeñas peonzas. Hasta ahora, los físicos no tenían un lenguaje común para describir ambos movimientos a la vez.

Un pasillo largo con el suelo irregular: en algunos sitios hay baches, en otros, hoyos. Si haces rodar un cochecito de juguete por él, se quedará atascado en el hoyo más profundo, no donde lo soltaste. Algo parecido le ocurre al sonido en un cristal fonónico: un material compuesto por elementos periódicamente dispuestos que controla la propagación de ondas elásticas.

La luz, descubierta por Maxwell, se comporta de manera diferente en distintos medios. En un nuevo estudio se modeló un cristal bidimensional que absorbe luz y tiene propiedades magnéticas.

Un baterista marca el ritmo y la piel del tambor vibra al compás. Si se golpea con la suficiente frecuencia, las vibraciones se superponen y en el centro surge una zona casi inmóvil: un nodo. Un efecto similar ocurre con las microondas en un material cuyas propiedades cambian con el tiempo.

Si iluminas un cristal de FePS3, este responde con su propia luminiscencia, como un letrero de neón, pero mucho más débil y en el rango infrarrojo. Esta luminiscencia no es aleatoria: depende de cómo esté orientado el cristal.

La luz ordinaria se dispersa en todas direcciones, como el agua de un vaso roto. Pero en algunos cristales, las ondas de luz logran agruparse en haces estrechos y fluir en una sola dirección, como el agua en un canal. Los físicos han estudiado un material así: el óxido de vanadio laminar α-V2O5. En este cristal, los átomos vibran de manera diferente a lo largo y a lo ancho de las capas.

El flujo turbulento cerca de la pared se parece a una multitud donde cada uno empuja hacia su lado. Los vórtices nacen y se deshacen, creando empujones caóticos. Si se incrusta en la pared un sustrato acústico con un defecto —como un diapasón que suena en una sola nota—, empieza a responder solo a un rango estrecho de frecuencias.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor está suspendida en el aire, como una sábana tensada. Por ella corren ondas de calor: vibraciones de átomos que los físicos llaman fonones. Antes se pensaba que estas ondas se disipaban rápidamente debido a la fuerte interacción, y que el calor se transmitía mal.

Si empujas calor a través de un trozo de cuarzo, normalmente va recto, como el agua por una tubería. Pero en cuanto enciendes un campo magnético, el flujo se desvía un poco hacia un lado, como si la tubería de repente tuviera una derivación lateral.

En un cristal se puede generar un sonido de tan alta frecuencia que el oído humano no lo percibe, y hacer que ese sonido corra en círculos, como un tren por una vía circular. Los ingenieros tomaron una fina película de nitruro de silicio, la depositaron sobre un sustrato de niobato de litio y grabaron en ella pistas para ondas sonoras.

Un rayo láser retorcido en espiral se parece a un embudo en un lavabo: la luz no solo avanza, sino que también gira. Estos rayos vorticiales ya ayudan a mover partículas diminutas y a transmitir más datos. Pero en cuanto atraviesan un medio no homogéneo, el vórtice se deshace, como el agua de un cubo agujereado.

El rayo láser incide sobre una película de oro y plata durante apenas unos nanosegundos: en ese tiempo, la luz recorre una distancia menor que un metro. En el punto de impacto, el metal hierve, se dispersa y se solidifica formando un patrón aleatorio de diminutas partículas. Cada patrón es irrepetible, como las grietas en el hielo o las ramas de un árbol.

Un diminuto puente de diamante vibra con tanta fuerza que empieza a 'cantar' en muchas frecuencias a la vez. Antes, estas oscilaciones se frenaban a sí mismas: cuanto más se balanceaba el resonador, más difícil era añadirle energía. Los físicos encontraron una grieta en esta regla. Usaron luz para hacer vibrar el diamante. La luz empuja el puente, y este comienza a temblar.

El cristal CeB6 es como una caja con un secreto: en su interior, los electrones pueden ocupar cuatro posiciones casi idénticas, como cuatro sillas alrededor de una mesa. Mientras nadie mira, el electrón parece estar sentado en las cuatro a la vez. Este estado oculto se denomina cuadrupolar en física, y afecta a las propiedades magnéticas, pero es difícil de observar directamente.

El sonido en un sólido son ondas de compresión y expansión que viajan a través de los átomos, como ondas en un colchón de muelles. Si colocas obstáculos con la separación adecuada, las ondas de ciertas frecuencias no pueden pasar: se reflejan hacia atrás.

Forzaron a una nube de átomos de cesio a comportarse como una sola cuerda cuántica. Al iluminarla con un láser y dejar que las partículas interactuaran, los científicos pusieron en marcha oscilaciones autosostenidas: el ritmo surgió sin un director externo. Las ondas de radio actuaron como los trastes en un mástil: se podía cambiar suavemente la frecuencia del sonido.

Un rayo de luz dibuja un patrón sobre un cristal delgado, y por ese patrón el calor corre en la dirección deseada, como el agua por un canal excavado. Así funciona el nuevo método para controlar flujos de energía a distancias de decenas de nanómetros, cientos de veces más delgado que un cabello humano.

Si comprimes una placa con celdas en forma de acordeón, una onda de pliegue recorrerá su superficie, como un doblez en una alfombra cuando la empujas con el pie. Estas ondas pueden cambiar el material entre dos formas estables, y sobre esto se construye la memoria mecánica. Pero si en el camino del doblez aparece la pata de una mesa, se atasca. En el nuevo trabajo se muestra cómo moverlo sin usar fuerza bruta.

Un pulso láser corto golpea un cristal, y este no responde con un solo sonido, sino con toda una escalera de frecuencias separadas por un intervalo idéntico. Así nace un peine de frecuencias fonónicas: un fenómeno que los físicos investigan en un material con una estructura interna inusual.

Una almohadilla de goma común amortigua las vibraciones como una manta gruesa apaga el sonido: cuanto más gruesa y pesada, mejor. Los ingenieros llevan tiempo soñando con un material que sea ligero pero que "devore" las oscilaciones tan bien como un amortiguador macizo.

Las ondas en los imanes se parecen a las vibraciones de una cuerda: si tocas la cuerda, suena en una sola nota, pero con una excitación fuerte aparecen armónicos: sonidos en frecuencias múltiples.

Un cristal sin centro de simetría se parece a una escalera cuyos peldaños están todos inclinados hacia el mismo lado: los electrones, al recibir el empujón de la luz, ruedan preferentemente en una dirección. Así nace la corriente continua: el efecto fotovoltaico.

Los científicos han descrito un nuevo tipo de estrella invisible que se comporta como una lente que respira. Tal estrella está compuesta de partículas bosónicas ultraligeras (aún no descubiertas). Su atracción provoca una curvatura del espacio-tiempo, que es justamente la lente, la cual se expande y contrae rítmicamente, como si respirara.

En el mundo de los microchips, donde los flujos de fotones (cuantos de luz) transportan información, surge un problema fundamental: la luz, al atravesar la materia, inevitablemente la calienta. Ese calentamiento genera fluctuaciones térmicas: sacudidas caóticas e impredecibles de los átomos que desbaratan el funcionamiento preciso del dispositivo.

Treinta nanómetros: la distancia en la que un fonón velocista aún no ha tenido tiempo de acelerar.

Una placa de acero con una rejilla de 8×8 celdas amortigua las ondas elásticas en dos corredores de frecuencia a la vez. No es una casualidad, sino el resultado de un cálculo con un nuevo esquema: primero un patrón grueso para la frecuencia baja, luego un ajuste fino dentro de los píxeles libres para la alta.