efecto Hall cuántico

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.

Una fina capa de arseniuro de indio está escondida bajo una película superconductora, como una voz bajo el ruido de la multitud. En este híbrido, la corriente elige el camino de menor resistencia y casi toda fluye por el metal, por lo que el semiconductor permanece inaudible para los instrumentos convencionales.

Una película ultrafina de átomos de telurio, tantalio e iridio se comporta como un aislante en su interior, pero conduce corriente por los bordes. Esta propiedad —el efecto Hall cuántico de espín— promete una electrónica sin pérdidas.

La corriente en un metal ordinario fluye como una multitud por una calle recta: cada electrón va por su cuenta, y si se aplica un campo magnético, toda la multitud se desplaza ligeramente hacia un lado. Ese desplazamiento se llama efecto Hall.

Un láser golpea un átomo y arranca un electrón. Cuanto más brillante es la luz, más fuerte es el empujón y más rápido sale el electrón. Así funciona la imagen habitual, donde la luz es una onda uniforme. Pero, ¿y si la luz no es uniforme, sino 'comprimida', con fluctuaciones cuánticas, como el temblor de una cuerda?

Un láser golpea un átomo y arranca un electrón. Cuanto más brillante es la luz, más fuerte es el empujón y más rápido sale el electrón. Así funciona la imagen habitual, donde la luz es una onda uniforme. Pero, ¿y si la luz no es uniforme, sino 'comprimida', con fluctuaciones cuánticas, como el temblor de una cuerda?

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.

Tomemos dos láminas delgadas de un semiconductor. Una está impregnada de electrones libres, como un café abarrotado donde cada mesa está ocupada. La segunda, por el contrario, está llena de lugares vacíos: 'huecos' que ansían llenarse.

Tomemos dos láminas delgadas de un semiconductor. Una está impregnada de electrones libres, como un café abarrotado donde cada mesa está ocupada. La segunda, por el contrario, está llena de lugares vacíos: 'huecos' que ansían llenarse.

Una fina hebra de plata, casi tan larga como el grosor de un cabello, y en ella habitan leyes cuánticas puras. Los físicos construyeron un conductor donde los electrones solo pueden moverse hacia adelante o hacia atrás, como en una carretera perfectamente recta de un solo carril y sin arcenes.

A bajas temperaturas, muchos materiales se vuelven superconductores: la corriente fluye sin resistencia. Pero, ¿cómo ocurre exactamente si los electrones estaban primero atrapados en un aislante? Hace medio siglo, Philip Anderson sugirió que la respuesta reside en una danza cuántica especial de las partículas.

Un cristal de color verde pálido se colocó en un campo magnético y se enfrió por debajo de un kelvin, casi hasta el cero absoluto. En su interior se esconden cadenas de átomos de cobre que se comportan como diminutas agujas magnéticas.

Una hoja de papel con propiedades magnéticas: así es aproximadamente el nuevo material 1T-CrS₂. Sus capas están unidas por fuerzas débiles, como las páginas de un cuaderno, pero cada capa es un imán de verdad.

El mundo cuántico es astuto: a veces, las partículas confinadas en una capa plana y atravesadas por un campo magnético intenso comienzan a comportarse como un líquido compuesto no por electrones enteros, sino por fracciones de ellos: cargas fraccionarias. Esto es el efecto Hall cuántico fraccionario.

Un agujero negro sentado sobre una delgada membrana universal (la brana) se asemeja a una bola pesada que estira una lámina elástica. En la física clásica es calvo: solo masa, carga y rotación.

El espacio vacío no está tan vacío como parece. Según la teoría cuántica, el vacío está lleno de partículas que continuamente se crean y se destruyen.

Los electrones en un sólido normalmente o corren libremente (metal) o están confinados en su lugar (aislante). Pero a veces la fuerte repulsión mutua los encierra en un estado a medias: las cargas se quedan quietas, mientras que los espines —pequeñas agujas magnéticas— siguen viviendo su propia vida. Esto se llama aislante de Mott.

Un fino sándwich de dos materiales distintos. Se hace pasar una corriente eléctrica — y la capa superior se magnetiza en una dirección, mientras que la inferior lo hace en la opuesta. No es un truco, sino el efecto Edelstein de capas (del inglés layer Edelstein effect), que acaban de describir los físicos.

En 1915, Альберт Эйнштейн y Wander Johannes de Haas demostraron que al magnetizar una barra de hierro, esta gira ligeramente: el momento angular de los electrones se transfiere a la red cristalina.

La superfluidez — ese estado en el que la materia fluye sin fricción — ha permanecido elusiva durante mucho tiempo en los condensados de Bose neutros de excitones.

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.

La superconductividad a menudo se representa como una danza congelada de electrones: se unen en pares y se mueven sin resistencia, como patinadores sobre hielo perfecto. Pero en los superconductores de alta temperatura, ese hielo resulta no ser tan liso.

Desde hace casi cuarenta años, la superconductividad de alta temperatura en los cupratos sigue siendo uno de los enigmas más profundos de la física de la materia condensada.

El tunelamiento cuántico — la capacidad de las partículas de atravesar barreras prohibidas por la física clásica — alimenta las estrellas con fusión termonuclear, enciende la nucleosíntesis primordial y nos da la memoria flash.

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

A veces un cristal se comporta como un intérprete que se distrae con cada susurro en la sala, y la reunión de una hora se convierte en dos. En el metal ScV₆Sn₆, los átomos se disponen en un patrón kagome (un tejido de hexágonos y triángulos), y al enfriarse surge en él una onda de densidad de carga: una deformación periódica de la nube electrónica.

En el agua hirviendo agua se puede ver un prototipo del truco cuántico: si parte del líquido se convierte en burbujas de vapor de larga vida, la masa principal se enfría.

En un pasillo largo, una multitud intenta mantenerse alejada unos de otros. En una sala espaciosa simplemente se dispersarían, pero aquí las paredes aprietan tanto que hay que avanzar en fila india, coordinando cada paso. De manera similar se comportan los electrones en capas de grafeno giradas una respecto a la otra por un ángulo diminuto.

Echas un puñado de fósforo en silicio y, a cierta concentración de impurezas, el material de repente empieza a conducir la corriente. Esta es la transición de fase metal-aislante, y ocurre de manera abrupta. Pero, ¿qué cambia exactamente en las funciones de onda de los electrones cuando un aislante se convierte en metal?

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.

Un superconductor es como una autopista perfecta sin semáforos: los electrones se precipitan sin obstáculos. Pero basta con aplicar un voltaje para que el panorama cambie. En un nuevo experimento, los físicos descubrieron que el campo eléctrico penetra en el superconductor y crea en su interior un régimen mixto.

Una nube de átomos de rubidio cae en una trampa de luz. Los láseres y los campos magnéticos la organizan como una red cristalina, pero aquí las celdas no miden fracciones de milímetro, sino fracciones de micrómetro.

Una burbuja de jabón flota en el aire, y su forma ya contiene todo lo necesario para calcular la tensión interna. Un principio similar ha funcionado en un nuevo trabajo sobre gravedad cuántica.

Dos imanes sobre una mesa se atraen o se repelen, según cómo estén orientados sus polos. Dentro de cada pieza se esconden diminutas regiones donde todas las flechas magnéticas apuntan en la misma dirección. Estas regiones se denominan dominios, y de su disposición depende cómo se comporte el material en un circuito eléctrico.

En un sistema de fontanería, a veces el agua no fluye como un chorro continuo, sino en porciones idénticas y separadas, como si el grifo se abriera y cerrara dejando pasar exactamente una gota cada vez. Algo parecido le ocurre a la corriente eléctrica en los contactos superconductores llamados uniones de Josephson.

Dos capas delgadas de un semiconductor se giraron una respecto a la otra en 2,29 grados, como dos hojas de papel transparente con rejillas dibujadas. Donde las líneas casi coinciden, aparece un gran patrón de manchas oscuras y claras. Los electrones en este patrón se comportan de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal ordinario.

Un puente hecho con dos filas de tablones se comba bajo los pies de los peatones, y cada paso recibe ayuda del movimiento elástico del piso. Un principio similar está en la base de la superconductividad: los electrones se deslizan sin resistencia porque la red atómica se adapta a ellos.

La corriente eléctrica en un cable se parece a una multitud apresurándose por un pasillo. Normalmente, cada persona choca con las paredes y pierde velocidad casi al instante — eso es la resistencia eléctrica.

La luz solar incide sobre una oblea de silicio y en el circuito aparece una corriente. Es el funcionamiento habitual de una célula fotoeléctrica: la luz expulsa electrones y la unión p-n (la frontera entre dos capas con distinta conductividad) los obliga a moverse en una dirección.

Si lanzas un puñado de monedas sobre una mesa, caerán al azar. Pero en algunos cristales, los átomos se ordenan en un patrón que recuerda a una cesta tejida: la red kagome. En el metal MgMn₆Sn₆, los átomos de manganeso forman esta red, y a temperatura ambiente actúan como pequeñas agujas magnéticas.