orden y desorden cuántico

Dos bailarines en un mismo escenario: el triángulo y la franja. En un gas cuántico de átomos de disprosio enfriado a 62 nanokelvins, estas dos estructuras espaciales se encontraron por primera vez en un mismo experimento. El gas se mantiene en una trampa que recuerda a una tabla de surf, y sus átomos están entre los más magnéticos de la tabla periódica.

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.

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.

Después del Big Bang, según la cosmología inflacionaria, el Universo experimentó una rápida expansión y una serie de transiciones de fase.

El mundo cuántico a menudo se compara con un instrumento musical. Cada sistema, ya sea un átomo o una cadena de partículas, suena en sus propias frecuencias, que los físicos llaman niveles de energía. En los sistemas caóticos, como en una orquesta sin director, estas frecuencias suelen llenar todo el rango disponible sin huecos.

La fusión de agujeros negros no es un golpe silencioso. El agujero recién nacido vibra y se amortigua, emitiendo ondas gravitacionales, ondas en el propio espacio. Esta señal se llama «tañido» (ringdown) y se parece al sonido de una campana que se apaga: tiene un tono fundamental y varios armónicos.

En la teoría cuántica de campos existe un viejo enigma: las divergencias infrarrojas. Normalmente se las percibe como una molesta interferencia técnica que hay que «tapar» cuidadosamente en los cálculos. Pero, ¿y si no es un error, sino una característica?

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.

Los músicos de una orquesta tocan cada uno su parte sin escuchar a los demás. En un cristal perfecto de disulfuro de tungsteno sobre grafeno, los excitones —pares ligados de electrón y hueco— se comportan igual: apenas se mezclan debido a una simetría oculta llamada simetría de valle.

En el agua enfriada a –40 °C ocurre una pausa paradójica: el hielo hexagonal perfecto no tiene prisa por nacer. En lugar de eso, se forma una estructura desordenada con incrustaciones de capas cúbicas: una verdadera cuna para la simetría futura, llena de desorden pero ya cargada con una arquitectura oculta.

El grafeno — un cristal bidimensional de carbono — ha tentado a los físicos durante mucho tiempo con la esperanza de una superconductividad a alta temperatura.

La materia oscura sigue siendo uno de los mayores enigmas de la física moderna. Ya Vera Rubin, al observar la rotación de las galaxias, demostró que la materia visible no basta para evitar que las estrellas se dispersen.

Una cuerda suena perfectamente limpia hasta que una corriente de aire la roza. Más o menos así funciona el láser superradiant: un haz de átomos, previamente cargados de energía, atraviesa una habitación de dos espejos — el resonador óptico (una trampa donde la luz rebota de un lado a otro).

Dentro de una estrella de neutrones, la materia se comprime tanto que los núcleos atómicos dejan de ser grumos separados. Los neutrones y los protones se acercan entre sí, y sus interiores —los quarks— comienzan a sentir a los vecinos a través de las paredes de sus "sacos".

Una multitud de personas que pueden moverse libremente, pero que de repente empiezan a actuar como una sola unidad: así conduce un superconductor la corriente sin resistencia.

Un cristal es como una formación de soldados en la plaza: cada átomo en su lugar y los electrones marchan en ondas regulares. Un material amorfo es como una multitud en una estación de tren, donde no hay ningún orden, solo un amontonamiento. En esa multitud, un electrón normalmente se atasca rápido, como una persona que intenta abrirse paso entre una masa densa de gente.

En un cristal ordinario, los átomos están alineados en filas perfectas, como soldados en formación. Cualquier desviación de ese orden se considera perjudicial: el desorden dispersa las ondas y apaga rápidamente los movimientos colectivos de las partículas.

Bajo un campo magnético intenso, los electrones confinados en una capa delgada a veces se alinean en un patrón regular, como invitados en una fiesta concurrida que encuentran un lugar donde nadie los empuja. Este orden se denomina cristal, aunque no es hielo ni sal, sino los propios electrones inmóviles en sus posiciones.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico toca su parte. Si el director falla, la música se desmorona. En las simulaciones cuánticas digitales, el papel del director lo desempeña una secuencia de operaciones simples, y los errores se acumulan como notas falsas. Pero a veces la orquesta suena limpia, incluso si el director no es perfecto.

En el mundo cuántico hay reglas que parecen violadas. Una de ellas es la ley de conservación: si en la física clásica la simetría garantiza la conservación de la carga, al pasar a la descripción cuántica esa garantía puede desaparecer. Este fenómeno se llama anomalía cuántica.

La superficie del cristal del compuesto de uranio UTe2 se asemeja a un mar congelado: en algunos lugares los electrones se mueven libremente, en otros quedan atrapados cerca de los átomos. El microscopio de efecto túnel (un instrumento que sondea la superficie con una aguja afiladísima y detecta electrones individuales) mostró que este paisaje no es casual.

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.

Un cristal en capas enfriado se asemeja a una pila de láminas delgadas entre las cuales deambulan los electrones. A una temperatura de unos 17 K aparecen en él diminutas regiones donde los electrones se organizan en una onda, como un rizo en la superficie del agua que se congela en su lugar. Estas regiones se denominan charcos de carga y antes se creía que eran estáticas.

Un cristal que por dentro parece una esponja con un laberinto de poros resultó capaz de realizar cálculos. El material, llamado DUT-8, está formado por nodos metálicos y conectores orgánicos que crean una red calada. Bajo la acción de diferentes gases, esta red cambia ligeramente de forma, como un castillo de naipes que se reacomoda con un leve soplo.

Las baldosas comunes forman un patrón repetitivo. Pero los átomos pueden hacer más: en ciertas condiciones, ellos mismos crean un mosaico complejo donde el diseño nunca se repite, como en los paneles de azulejos antiguos.

Un qubit superconductor es un diminuto circuito eléctrico que se comporta como un átomo artificial. En condiciones normales, la corriente fluye por él sin resistencia y los niveles de energía están espaciados uniformemente, como los peldaños de una escalera.

Los átomos en un cristal normalmente ocupan sus lugares, como pasajeros en un avión con sus billetes asignados. Pero en este material, el cobre y el tantalio ocuparon sus lugares al azar, como si los billetes se hubieran mezclado. Los científicos examinaron el cristal con rayos X y vieron que el desorden no está solo sobre el papel, sino en la propia disposición de los átomos.

Agita un frasco con arena y canicas: verás cómo los objetos grandes flotan o se hunden según su tamaño. Pero si agitas con inteligencia, puedes lograr que las canicas se junten en pares y cadenas, como si estuvieran pegadas entre sí. Ese 'pegamento invisible' es lo que físicos de India y Alemania han logrado capturar y medir por primera vez.

Los cristales de tiempo son una fase exótica de la materia que exhibe movimiento periódico no en el espacio, sino en el tiempo, incluso en su estado fundamental, no excitado. Esta idea, que recuerda a un reloj perpetuo que no requiere cuerda, fue propuesta por primera vez por Frank Wilczek.

Las partículas cuánticas en un entorno con fuerte desorden se comportan como bailarines que ejecutan pasos sincronizados: cada uno conoce su movimiento y no choca con los demás. Precisamente este flujo coordinado sin fricción —la superfluidez— surgió inesperadamente en un experimento con un chip cuántico superconductor.

El mosaico de Penrose, armado con dos tipos de baldosas, recubre el plano sin un patrón repetitivo — maravilla matemática descubierta por Roger Penrose, que ha obtenido una realización física en el mundo cuántico.