transición de fase inducida por presión

Una película delgada de niquelato de neodimio de quince nanómetros de espesor descansa sobre un sustrato de galato de neodimio. Por debajo de los ciento ochenta kelvin se comporta como un aislante: los electrones están encerrados en sus celdas atómicas y no pueden moverse con libertad.

Una gota de agua sobre una película de fluoropolímero al principio se comporta como se espera: reposa y se evapora. Pero cuando se reduce a una cuarta parte de su tamaño inicial, se despega del lugar y en fracciones de segundo recorre una distancia varias veces mayor que su propio radio.

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.

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).

En una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor aparecen y desaparecen: una lucha similar ocurre en los materiales bidimensionales. Aquí, los electrones simultáneamente crean magnetismo y tratan de apagarlo.

El cristal estratificado La₃Ni₂O₇ bajo presión se comporta como una orquesta en la que el director cambia el volumen de los distintos grupos de instrumentos. Al comprimirlo, aumentan los saltos de electrones entre capas; parecería que esto debería reforzar la superconductividad. Pero al mismo tiempo, parte de los electrones se vuelve demasiado móvil.

Muchos materiales se comportan como un hielo caprichoso: a una presión se derriten y a otra se vuelven más duros. Los superconductores de la familia de los cupratos no son una excepción. Su capacidad para conducir corriente sin pérdidas depende de cuán comprimida esté la red cristalina.

El cristal de uranio-arsénico (UAs2) bajo presión se comporta como una casa con dos habitaciones. En una habitación, los electrones están quietos; en la otra, deambulan libremente. En condiciones normales, es un clásico 'Kondo de red': electrones pesados, casi inmóviles, en los orbitales 5f5/2, rodeados por un mar de electrones de conducción rápidos.

Un pastel de capas en el que cada capa conduce la electricidad de manera distinta: así es el cristal La3Ni2O7, un compuesto de níquel, lantano y oxígeno. La corriente a lo largo de las capas fluye de forma diferente que a través de ellas.

Algunos cristales se comportan como un interruptor: basta con cambiar un poco la temperatura o la presión para que pasen de conductores a aislantes. Esto se llama transición metal-aislante (cambio en la capacidad de conducir corriente).

Un conductor iónico se parece a un autobús abarrotado donde los pasajeros (iones) intentan abrirse paso hacia la salida. Antes se pensaba que se podía salir rápido si el autobús se balanceaba suavemente (red suave) o si los pasajeros estaban en un orden caótico (desorden geométrico). El nuevo trabajo muestra que no son dos trucos distintos, sino el mismo.

Una lámina de goma se comprime por dos lados. A primera vista, es una deformación ordinaria. Pero en el interior, en la profundidad del material, se despierta un orden oculto. No son solo arrugas en la superficie. Es el nacimiento de zonas especiales donde las vibraciones quedan atrapadas, como en una trampa. Antes se pensaba que tales efectos requerían intrincadas redes y estructuras periódicas.

Los superconductores conducen corriente sin pérdidas, pero normalmente requieren un frío extremo. El Hg1223 —una mezcla de mercurio, bario, calcio, cobre y oxígeno— rompe la regla: deja de oponer resistencia a la corriente a –139 °C. El secreto es que la intensa repulsión eléctrica obliga a los electrones a emparejarse.

Los electrones en un conductor son como una multitud caótica: al chocar, pierden energía y surge la resistencia. En un superconductor, en cambio, se mueven de manera coordinada, como parejas en un baile sincronizado, sin rozarse. Este estado tiene una entropía reducida, es decir, menos desorden. Este comportamiento es raro en el oro y el cobre.

Si calientas un clavo en una fogata, se alarga; eso lo sabe cualquiera. Pero si calientas solo la punta y dejas el otro extremo frío, el clavo no solo se hace más largo: se curva, porque el metal caliente se expande más que el frío. Esa misma curvatura, pero a nivel atómico, es lo que los físicos han convertido en electricidad.

Si cada segundo se comprueba dónde está un electrón, sus propiedades cuánticas cambian. Es como un niño que juega al escondite pero le llaman por su nombre constantemente: se queda quieto y deja de correr. En el mundo de las partículas, ese «llamador» es una medición.

Los electrones en un cristal a veces se comportan como una multitud en un estadio creando una «ola»: las zonas de mayor densidad se alternan con otras casi vacías. Esta ola bloquea el movimiento libre de las cargas: en condiciones normales, el material no es superconductor. Pero al aplicar presión, la ola desaparece y los electrones empiezan a moverse sin pérdidas.

El plasma cósmico no es un gas tranquilo, sino una sopa hirviendo de partículas cargadas atravesada por campos magnéticos. Estos campos se comportan como gomas elásticas tensadas: a veces se rompen y de inmediato se vuelven a unir, pero de otra manera.

Después del Big Bang, el Universo bullía como una 'sopa' ardiente de partículas fundamentales. Al expandirse y enfriarse, la sopa se fue 'solidificando' gradualmente en protones y neutrones, de forma parecida a la cristalización.

La aleación de paladio y teluro, a la que se añadió un poco de oro, se comporta como un conductor que pierde resistencia al enfriarse.

El cristal Fe₃Sn₂ se asemeja a una rejilla con patrón, donde los átomos de hierro se ubican en las esquinas de hexágonos. En condiciones normales, sus flechas magnéticas están alineadas como soldados en formación. Pero basta con comprimir el cristal para que la formación se rompa.

El cristal cambia su geometría interna como el armazón de un edificio que se ladea ligeramente durante un terremoto.

Un trozo de telururo de plata y antimonio se parece a una esponja: absorbe fácilmente el calor y lo convierte en electricidad. Estos materiales se llaman termoeléctricos y ya funcionan en sondas espaciales y frigoríficos de automóvil.

Dentro de una célula viva flotan gotas que no se mezclan con el líquido circundante, como el aceite en el agua. Estas gotas no son solo acumulaciones pasivas: presionan activamente las membranas y las obligan a curvarse. Los científicos observaron este proceso en células vegetales vivas, lo reprodujeron en el laboratorio y lo calcularon por ordenador.

Un tubo silencioso con una rejilla caliente en su interior. El voltaje en la rejilla se eleva de golpe, y el tubo empieza a zumbar, manteniéndose solo. No es una avería, sino una transición a otro estado estable, como una canica que rueda sobre una colina y cae en el hoyo vecino.

La superconductividad es la capacidad de un material para conducir electricidad sin pérdidas. Los cables normales se calientan y parte de la energía se convierte en calor, mientras que un superconductor deja pasar la corriente sin resistencia.

Un hilo flexible enrollado en anillo se encierra en una cajita con líquido. Puede absorber agua e hincharse como una esponja, o expulsar la humedad y encogerse en una bola apretada. La elección entre estos estados depende de si el hilo tiene un nudo, y de cuál sea. La razón está en la entropía, la medida del desorden.

El cristal de óxido de osmio OsO₂ se parece a un adolescente testarudo: en condiciones normales se comporta como un metal común, pero basta con apretar con más fuerza y su carácter cambia.

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.

Una partícula deambula en un medio lleno de obstáculos. A veces los empuja hacia adelante, como una máquina quitanieves, y se pensaba que ese empuje era lo que finalmente detenía el movimiento. Pero en un espacio tridimensional, este mecanismo no funciona.

Convertir gases ligeros, como el hidrógeno y el nitrógeno, en metal es un viejo sueño de los físicos. En un nuevo experimento, el nitrógeno se comprimió a 130–140 gigapascales (presión equivalente a 14 millones de kilos sobre una uña) y se calentó a 3000°C.

Un cristal de estroncio, yodo, oxígeno e hidrógeno: a simple vista, un polvo blanco común. Pero si se comprime con una fuerza de cientos de miles de atmósferas, en su interior comienza una reorganización. Los átomos de yodo, que normalmente se mantienen a distancia, de repente se acercan y forman nuevos enlaces.

El material en capas (SnS)1.15(TaS2) se asemeja a una pila de hojas de papel donde las láminas conducen la corriente y entre ellas hay capas intermedias que impiden que se peguen. A presión ambiente, este material conduce la corriente sin resistencia, es decir, es un superconductor.

Un cable normal se calienta cuando lo atraviesa la corriente. Un superconductor, no. Pero casi todos los superconductores conocidos funcionan o a temperaturas muy bajas o bajo presiones enormes, como en el interior de los planetas. Los científicos llevan tiempo buscando un material que evite esos extremos.

Si lanzas una piedra a un estanque, se forman círculos en el agua. En un diminuto cristal magnético también hay ondas, solo que no oscila el agua, sino la dirección de la magnetización. Estas ondas se llaman ondas de espín. Se propagan por el cristal como ondulaciones en la superficie y pueden transportar información.

El cristal Ca2RuO4 se parece a una pila de láminas delgadas. Dentro de cada lámina, los espines de los electrones están ordenados con precisión, como filas de soldados en formación. Entre las láminas, el enlace es débil y su signo puede invertirse si se estira el cristal ligeramente hacia los lados.

En un taller de joyería, el oro no se mezcla con el rutenio: uno es blando y brillante, el otro refractario y frágil. Pero a escala nanométrica, estos metales se funden en una aleación única que, al calentarse, comienza a separarse como el aceite y el agua en un caldo que se enfría.

Una diminuta partícula de óxido de vanadio se comporta como una ventana de transparencia regulable: en un estado deja pasar la luz infrarroja, y en otro comienza a absorberla. El cambio no ocurre de golpe, sino de forma gradual, como si se girara el mando de un regulador que ajusta la intensidad de una lámpara.

En un superconductor ordinario, los electrones se unen en pares que permanecen quietos: su impulso total es cero. Pero puede ser diferente: los pares adquieren un impulso común y comienzan a moverse, como un banco de peces nadando contra la corriente. Este estado se llama onda de pares y es muy caprichoso: se necesitan condiciones especiales.

Un cristal superconductor se comprime en una celda pequeña, como si se sujetara en un tornillo de banco, pero con agua para que la presión se distribuya uniformemente. Una presión de hasta 1,08 GPa (aproximadamente cien veces mayor que la de un neumático de automóvil) apenas cambia la temperatura a la que el material pierde su resistencia.