polarón

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.

En 1984, el mundo de la cristalografía dio un vuelco: en una aleación de aluminio y manganeso se descubrieron picos de difracción nítidos con simetría de orden cinco, como si la naturaleza se burlara de los teoremas estrictos que prohibían que los patrones repetitivos tuvieran ejes 5, 8, 10 o 12.

Los estallidos rápidos de radio (FRB) son faros enigmáticos del Universo que en milisegundos emiten una energía comparable a la que el Sol libera durante siglos.

La materia cuántica rara vez nos regala el espectáculo del movimiento autopropulsado. Mientras que el mundo clásico está lleno de bandadas de estorninos, cardúmenes de peces y bacterias ajetreadas, la termodinámica cuántica permaneció en calma durante mucho tiempo.

Cuando un electrón y su antipartícula —el positrón, predicho por Dirac— se encuentran, forman fugazmente un positronio: un minúsculo par que orbita uno alrededor del otro, como en un átomo pero sin núcleo. Casi de inmediato se desintegra, emitiendo dos fotones que quedan misteriosamente vinculados.

Desde el Sol hacia la Tierra se precipita el viento solar, pero la magnetosfera desvía el flujo y esculpe con él colas de plasma.

Una piedrecita cae en un estanque y se forman ondas en el agua. En el mundo cuántico, el estanque no está hecho de agua, sino de muchas partículas idénticas, y la piedrecita también es una partícula, pero forastera. A esa partícula forastera se la llama polarón de Fermi.

Una linterna común ilumina por igual hacia adelante y hacia atrás. Pero en los cristales magnéticos nace un axión, una excitación fantasma parecida a una ola en un estadio: los átomos se pasan entre sí un impulso magnético.

Ya Jocelyn Bell Burnell, quien registró por primera vez la estricta periodicidad de las señales de radio, notó que algunos pulsos desaparecían repentinamente. Hoy sabemos que la variabilidad no es un capricho, sino la voz de una electrodinámica compleja.

Una peonza del tamaño de una ciudad, que pesa más que el Sol y da cientos de vueltas por segundo. Eso es una estrella de neutrones: el resto de una estrella que explotó. A veces, su rotación se acelera de repente, como si algo en su interior cambiara de estado. Los astrónomos llaman a estos saltos glitches y sospechan que los culpables son vórtices invisibles en el relleno superfluido de la estrella.

Dos estrellas de neutrones —restos de astros muertos, comprimidos hasta el tamaño de una ciudad pero con el peso de todo un Sol— giran una alrededor de la otra y finalmente colisionan. En ese instante nace algo intermedio entre un agujero negro y un imán ultrapotente: un campo miles de millones de veces más fuerte que el del más potente escáner de resonancia magnética.

Embalsosa el suelo con triángulos idénticos y obtendrás un patrón aburrido y repetitivo. ¿Y si quieres que el diseño nunca se repita, pero con una sola baldosa? Durante mucho tiempo, los matemáticos estaban convencidos de que eso era imposible: se necesitaban al menos dos figuras distintas.

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.

Un carrusel de luz no hace girar a personas, sino a electrones. En lugar de caballitos de madera, hay aspas invisibles hechas de luz. Ese es el «carrusel» que han construido los físicos para dar rotación a los electrones. Normalmente, para enrollar un haz de electrones en un vórtice se necesita una máscara diminuta: una plantilla con ranuras tallada a escala atómica.

En las profundidades del cosmos, una estrella de neutrones que gira rápidamente, un púlsar apodado Faro, se desplaza a toda velocidad a través del gas enrarecido. Como una lancha que corta el agua, deja tras de sí una estela luminosa de partículas cargadas.

Un trozo de magnetita, esa piedra de hierro tan común, se comporta de manera extraña. A temperatura ambiente conduce la electricidad, pero si se enfría por debajo de menos 150 grados, la resistencia salta de golpe. Este salto, descubierto en 1939, dejó perplejos a los físicos durante casi un siglo. El nuevo trabajo propone la solución.

Según el Modelo Estándar, el vacío no está vacío, sino que es un océano de partículas virtuales fantasmales. Un campo electromagnético superintenso, como una tormenta, arranca pares de electrones y positrones hacia la realidad.

El vacío no es un silencio hueco, sino un caldero burbujeante de fluctuaciones cuánticas que nacen de la nada y desaparecen en milmillonésimas de segundo. Esta sinfonía invisible actúa como un viento constante que presiona el átomo contra la pared: como un potente bajo que empuja una pelota ligera.

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.

La colisión de partículas a gran velocidad produce una lluvia de nuevas partículas. Entre ellas se encuentran los antiprotones, gemelos de los protones ordinarios, pero con carga opuesta. Cada una de estas partículas tiene su propia rotación, como una pelota de tenis lanzada con efecto. Pero si los antiprotones nacen con espín, nadie lo ha comprobado hasta ahora.

Si colocamos un kaón en un campo eléctrico, se estira ligeramente, como un globo que frotamos con lana. Esta respuesta —la polarizabilidad eléctrica— indica cuán rígida es la estructura interna de la partícula. Para el kaón cargado se ha medido por primera vez, y el número es este: alrededor de una diezmilésima parte del volumen que ocupa un protón.

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.

Un cristal de titanato de bario se parece a una multitud en la que cada persona sostiene una flecha indicadora. En estado normal, las flechas apuntan en direcciones distintas, pero si se aplica un campo eléctrico, todas giran a la vez hacia un mismo lado.

En una capa fina de cristal líquido —una sustancia que fluye como un líquido, pero cuyas moléculas están ordenadas como en un sólido— nacen vórtices más pequeños que el grosor de un cabello humano. Estos vórtices se parecen a diminutas peonzas: pueden moverse sin desintegrarse y se comportan casi como partículas reales.

En un cristal de europio, zinc y fósforo, la corriente se comporta como un coche en un camino lleno de baches. Los electrones no corren libremente, sino que arrastran nubes magnéticas, los polarones. A temperatura ambiente, estas nubes están dispersas, pero al enfriarse se fusionan en una masa continua, lo que hace que la corriente se ralentice bruscamente.

Un punto cuántico del tamaño de un virus, aprisionado entre espejos, con un destello breve de luz engendra dos fotones. Estos fotones salen en pareja y sus polarizaciones —las direcciones de oscilación de las ondas— están ligadas de tal modo que, si conoces una, al instante sabes la otra.

Dos emisores diminutos, cada uno del tamaño de un átomo, pueden juntos lograr lo que por separado no podrían. Hablamos de la dispersión de la luz: cuando la luz incide sobre partículas y se esparce en todas direcciones. Normalmente, un par de partículas dispersa la luz solo un poco más que una sola.

Un cristal del tamaño de media caja de cerillas se cultivó en un horno donde una zona fundida se deslizaba lentamente a lo largo de una varilla, dejando capas perfectamente ordenadas. Dentro de este cristal, los iones de cobre se asientan en los nodos de una red triangular, pero los triángulos están ligeramente torcidos, como si alguien hubiera presionado una esquina.

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.

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.

El haz de una linterna en la niebla se dispersa a los pocos metros. Las partículas de luz se separan como una multitud en una plaza. Pero a veces pueden marchar en formación, sin dispersarse ni mezclarse. Esa marcha es la que se ha logrado en un diminuto cristal de perovskita. El cristal se colocó entre dos espejos.

Un cristal de óxido de magnesio se parece a una formación de soldados: los átomos están alineados en filas ordenadas y un electrón corre entre ellos. Pero si el electrón se detiene, los átomos cercanos se desplazan ligeramente de sus posiciones, como si los vecinos de la fila giraran la cabeza. El electrón queda atrapado en un hueco formado por los átomos desplazados y ya no puede moverse libremente.

Un material de un solo átomo de espesor y una pureza récord –apenas un átomo extraño por millón– se convierte en escenario de un fenómeno sorprendente. Al enfriarlo casi hasta el cero absoluto, los electrones en su interior, como los músicos de una orquesta, se quedan quietos en un orden estricto, formando un cristal.

En el corazón de cada galaxia duerme un agujero negro supermasivo. Cuando devora materia, sus alrededores arden — eso es un núcleo activo. ¿Cómo saber de destellos pasados si el agujero calla? La respuesta la da el eco de luz. Como un eco en una sala vacía, donde los sonidos vagan después de que la fuente se calla, la radiación del núcleo apagado viaja por la galaxia.

La materia oscura es el andamio invisible del Universo. No emite luz, pero su gravedad evita que las galaxias se desintegren. Una nueva hipótesis sugiere que la materia oscura está compuesta de fotones oscuros, partículas fantasmales que normalmente son invisibles.

Dos gotas de agua tiemblan sincronizadas porque las une una pajita. Así ocurre con las partículas entrelazadas: su unidad quizá se sostiene gracias a un agujero de gusano microscópico.

La superfluorescencia es la exhalación sincronizada de luz de un cristal. Los investigadores acaban de presenciar su imagen especular: la superabsorción, una inhalación coordinada. Bombardearon nanocristales de perovskita baratos con pulsos láser (spectroscopy) y vieron un estallido de absorción en reversa temporal.

El espectro de electrones cósmicos es como las huellas dactilares en la escena del crimen. Las partículas que llegan desde las profundidades de la Galaxia llevan en sus energías las marcas de quienes las crearon. Durante mucho tiempo la imagen fue borrosa: los instrumentos con amplios intervalos de energía, como fotografías desenfocadas, no permitían ver los detalles.