cristales fotónicos

En una habitación oscura, un rayo de sol atraviesa un agujero de alfiler en un cartón, y en la pared aparece una imagen invertida de la calle. La cámara estenopeica no necesita lentes: el pequeño orificio selecciona por sí solo los rayos que provienen de cada punto de la escena.

La luz que nace cuando un electrón rápido penetra en un material suele considerarse igual en todas direcciones. Pero en cristales donde las propiedades ópticas dependen de la orientación, no es así. Pasa la mano sobre el terciopelo: en un sentido es suave y brillante, en el otro, oscuro y áspero. Del mismo modo, un cristal reacciona a la luz de manera distinta según cómo esté orientado.

La luz que nace cuando un electrón rápido penetra en un material suele considerarse igual en todas direcciones. Pero en cristales donde las propiedades ópticas dependen de la orientación, no es así. Pasa la mano sobre el terciopelo: en un sentido es suave y brillante, en el otro, oscuro y áspero. Del mismo modo, un cristal reacciona a la luz de manera distinta según cómo esté orientado.

En una habitación oscura, salta una chispa entre dos cables y, por un instante, se hace la luz. Los físicos han hecho algo parecido, pero un millón de veces más pequeño: en la frontera de dos cristales transparentes trazaron un camino conductor y dejaron en él una interrupción de unos pocos átomos de ancho. Cuando aplicaron un voltaje constante a esa diminuta brecha, esta comenzó a brillar.

Un espejo que vuela a casi cuarenta mil kilómetros por segundo. La luz que incide sobre él rebota, pero ya no es la misma: como una pelota que es devuelta por una raqueta en movimiento. Ese espejo es lo que los científicos han construido dentro de una finísima hebra de vidrio rellena de hidrógeno.

La luz que no llega a la cámara deja igualmente su huella en ella. Así funciona el nuevo método de fotografía: se ilumina el objeto con un color y la imagen se compone a partir de otro. En el cristal, las ondas de luz se mezclan y la información sobre lo invisible se transfiere al rayo visible. En el experimento se utilizó un cristal de tiogalato de plata.

La luz que no llega a la cámara deja igualmente su huella en ella. Así funciona el nuevo método de fotografía: se ilumina el objeto con un color y la imagen se compone a partir de otro. En el cristal, las ondas de luz se mezclan y la información sobre lo invisible se transfiere al rayo visible. En el experimento se utilizó un cristal de tiogalato de plata.

La luz en una fibra óptica se parece a un arroyo: fluye dentro del hilo de vidrio y no se derrama hacia afuera. Un hilo grueso deja pasar muchos arroyos a la vez; uno delgado, solo uno. Los astrónomos a menudo necesitan verter la luz de un hilo grueso en varios delgados para descomponerla en colores.

El rayo láser en unas pinzas ópticas no es solo un punto de luz, sino una bolsa de fuerza. Una partícula que cae en él normalmente rueda hacia el punto más brillante, como una canica en un hoyo.

Nadie ha visto la materia oscura, pero debería atravesar los detectores como el viento atraviesa las hojas. A veces, muy raramente, una partícula de materia oscura roza el núcleo de un átomo, y entonces el detector debe captar ese empujón. El problema es que las partículas ligeras de materia oscura apenas pueden mover núcleos pesados: es como intentar derribar un bolo lanzándole una pluma.

Una bombilla normal o está encendida o apagada. Pero las diminutas partículas luminosas —nanocristales con iones de metales de tierras raras— hasta ahora brillaban de manera constante, como pequeñas linternas. Dentro de un cristal de este tipo hay miles de iones emisores, y aunque uno se 'canse', los demás siguen brillando.

Un fotón individual es como un ladrillo perfectamente liso con el que se pueden construir tecnologías cuánticas. Pero para construir una casa, se necesitan miles de ladrillos idénticos. Los átomos de rubidio son emisores natos: cada átomo emite fotones de una sola longitud de onda, como un diapasón que siempre da la misma nota.

Se puede hacer que la luz gire a voluntad, como el agua en una manguera, si se sabe dónde presionar. Eso es exactamente lo que hacen los circuitos electroópticos: cambian la dirección del haz dentro del chip mediante un campo eléctrico.

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.

La luz en una habitación normal desaparece al instante en cuanto apagas la lámpara. En una cavidad diminuta de nitruro de silicio, un fotón puede rebotar entre las paredes 80 000 veces antes de perderse. Es como si una pelota lanzada en una habitación rebotara en las paredes casi sin perder velocidad.

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.

La luz en una habitación normal desaparece al instante en cuanto apagas la lámpara. En una cavidad diminuta de nitruro de silicio, un fotón puede rebotar entre las paredes 80 000 veces antes de perderse. Es como si una pelota lanzada en una habitación rebotara en las paredes casi sin perder velocidad.

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.

La materia oscura no brilla ni refleja la luz, pero su presencia se delata por efectos gravitatorios. Para atrapar al menos una partícula, los físicos construyen detectores parecidos a habitaciones muy silenciosas: en su interior hay cristales que destellan cuando una partícula incide en ellos. Pero el destello es débil y, si la luz se pierde por el camino, la señal puede pasar desapercibida.

Un trozo de metal de menos de un milímetro, al enfriarse a menos 256 grados Celsius, se comporta como un caleidoscopio: en una esquina las agujas magnéticas se alinean en filas ordenadas, y en la vecina se retuercen como un tornillo. Esto se logró ver dirigiendo un estrecho haz de rayos X sobre la muestra y barriéndolo lentamente por la superficie, como una linterna sobre una pared oscura.

En una cacerola con agua flotan esferas microscópicas: partículas coloidales. Cada esfera está cubierta de largos hilos poliméricos, semejantes a un cepillo, y lleva una carga eléctrica. Si se ajustan bien la temperatura y la composición de la disolución, las esferas comienzan a ordenarse por sí solas en patrones regulares: cristales.

Una pila de cartas de juego yace inmóvil. Puedes deslizar la carta superior con el dedo y moverla: eso es una intervención brusca. O puedes soplar suavemente para que toda la pila cambie de forma por un instante, sin que las cartas salgan volando. Así, aproximadamente, la luz en este nuevo experimento reorganiza el cristal de seleniuro de estaño (SnSe).

Dos piedrecitas caen al agua a cierta distancia. Las ondas que generan corren una hacia la otra y en algunos lugares se cancelan: el agua queda lisa, aunque cada piedra por separado habría creado ondas. Algo parecido hace un par de fotones (partículas de luz) nacidos en el mismo cristal y que vuelan en direcciones opuestas.

En la imagen habitual del mundo, un evento es un punto en el mapa del espacio-tiempo: un "aquí y ahora" sin tamaño ni estructura interna.

Una cuerda de guitarra pulsada exactamente en el centro solo produce armónicos impares. La misma prohibición se aplica en cristales simétricos: cuando la luz arranca electrones, la radiación resultante contiene solo armónicos impares. Pero los físicos han encontrado una manera de eludir esta restricción. Y sin mover un solo átomo.

Con un frío intenso —menos 268 grados— la película cristalina de perovskita comienza a transmitir la luz de manera diferente según su polarización. El haz parece dividirse en dos: una parte va un poco más rápida, la otra un poco más lenta.

En una lámina ultrafina de grafeno de cuatro capas, los electrones pueden comportarse como un líquido congelado. Con un enfriamiento intenso y bajo la acción de un campo eléctrico, dejan de moverse frenéticamente y se alinean en un patrón regular: el cristal de Wigner. Es similar a cómo las gotas de agua se convierten en panales de hielo con el frío.

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.

Una onda de luz se parece a una cuerda que se sacude: vibra en un plano determinado. Esa propiedad, la polarización, revela la forma y la composición de los objetos. Pero captarla no es fácil, sobre todo si se quiere abarcar una amplia gama de colores. Normalmente se necesitan sistemas voluminosos de lentes y filtros.

La luz que viaja por una guía de ondas a veces cae en una trampa. En estructuras especiales —las bandas planas— se congela en su lugar: la onda no se dispersa, sino que permanece en unos pocos canales vecinos, como un resorte comprimido. Una banda plana es un rango de energías donde la velocidad de la luz cae a cero.

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.

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.

Un surfista se desliza sobre la superficie del océano hasta que llega una gran ola, y entonces sale disparado hacia adelante. De manera similar, un electrón libre interactúa con la luz: normalmente el intercambio de energía es apenas perceptible, pero si el medio circundante comienza a cambiar rítmicamente, cada cresta de la onda empuja a la partícula con más fuerza.

La luz queda atrapada en una red cristalina, pero no una cualquiera, sino una al revés: como un panal de abejas donde en lugar de cera hay vacío y los bordes están hechos de material. Así es un ópalo inverso: un cristal fotónico tridimensional que no deja pasar la luz de ciertos colores.

Un cristal del tamaño de una caja de cerillas se colocó bajo el haz de un acelerador clínico. La mitad de su superficie se cubrió con un patrón de nanoprotrusiones, diminutas, más pequeñas que la longitud de onda de la luz. La otra mitad se dejó lisa. La diferencia fue sorprendente: la parte recubierta produjo una señal 4,1 veces más brillante.

En 1958, Philip Anderson demostró que un desorden fuerte puede detener una onda. Desde entonces, los físicos han descubierto que entre la detención total y la carrera libre existen modos intermedios. Una partícula no solo puede quedarse quieta o volar, sino también vibrar en su sitio, pulsar o combinar varios tipos de movimiento a la vez.

Una piedra cae en un estanque y se forman ondas concéntricas en el agua. Pero una de las ondas, en lugar de expandirse, se adhiere a un pliegue invisible en la superficie y solo viaja a lo largo de él. Algo parecido han descubierto los físicos al recalcular el encuentro de la luz con una pared de dominio axiónica: una región estrecha donde el campo cambia de signo, como una cadena montañosa que separa dos laderas.

Los cristales de perovskita capturan la luz solar casi como el silicio, pero cuestan una miseria. Su problema es una fragilidad innata: con el calor y la simple agua del aire, 'enferman'. En su interior crece el desorden, y la brillante lámina se vuelve turbia, perdiendo sus capacidades en un par de días.

La luz incide sobre un cristal y arranca un electrón de su lugar legítimo. Queda un vacío: un hueco que se comporta como una carga positiva. El electrón y el hueco se atraen y giran uno alrededor del otro, como una pareja en un baile lento. A este par se le llama excitón (de la palabra «excitación»). Pero este baile no ocurre en el vacío.

En una lámina delgada de un cristal laminar, la luz puede quedar atrapada como el sonido en una habitación vacía. A baja temperatura, las muestras de (PEA)₂PbI₄ con grosores de decenas a cientos de nanómetros casi dejan de transmitir la luz en ciertas longitudes de onda.