cuasipartícula

Un pulso láser incide en una nube de gas y arranca electrones de ella, dejando tras de sí una burbuja: una cavidad donde apenas hay partículas. Esa burbuja viaja a través del plasma a una velocidad cercana a la de la luz, y sus paredes arrastran a los electrones que quedaron dentro, como una lancha rápida arrastra a un esquiador acuático.

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. De manera similar, los cuerpos masivos generan ondas gravitacionales, solo que aquí es el propio espacio el que oscila. Hasta ahora, estas ondas se han detectado con enormes detectores: estos se estremecen ligeramente cuando una onda los atraviesa. ¿Y qué ocurre a nivel microscópico, dentro de un diminuto trozo de materia?

En el mundo cuántico, las partículas a veces se comportan como acróbatas en cuerdas invisibles. El campo de instantón es un vórtice de corta duración que surge y desaparece al instante. Cuando un fermión (una partícula como el electrón) entra en ese vórtice, su energía no permanece quieta.

En el mundo de las partículas cuánticas hay sus propios «introvertidos»: los anyones. No se parecen a los electrones o protones habituales. Si intercambias de lugar a dos de estos «introvertidos», ellos recuerdan la maniobra, como dejando una huella invisible.

En un cristal, el calor viaja en ondas. Los átomos vibran, y esas vibraciones —llamadas fonones— transportan energía desde el borde caliente hasta el frío. Durante mucho tiempo se pensó que si los fonones entraban en resonancia (sus frecuencias coincidían exactamente) y podían intercambiar energía, el calor fluiría en avalancha. Resulta que no es así.

Un qubit superconductor es como un instrumento musical caprichoso: hasta que no lo afinas, no esperes una nota limpia. Pero incluso después de afinarlo, el sonido se desvía. Los culpables son diminutos defectos en el material que los físicos llaman sistemas de dos niveles. Son como grietas invisibles que aparecen y desaparecen, alterando el ritmo del procesador.

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 resonador vacío no está del todo vacío. Incluso en el vacío absoluto, donde no hay ni un solo fotón, habitan las fluctuaciones cuánticas. Son como el oleaje en un mar en calma: la superficie parece lisa, pero las moléculas no dejan de vibrar. Los físicos han aprendido a convertir esa vibración en ondas reales.

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.

El grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, se comporta como la superficie de un agua tranquila, hasta que aparece la superconductividad. Entonces, como ondas que se expanden desde una piedra lanzada, se propagan ondas inusuales: pares de electrones se mueven sin fricción.

Un agujero negro, tras ser golpeado, suena como una campana. Pero en lugar de sonido, emite ondas gravitacionales cuya frecuencia decae rápidamente: esto se llama modos cuasinormales. Por ese 'tañido' se puede conocer la masa del agujero, su rotación y otras propiedades.

Un cilindro de aluminio masivo, de una tonelada, cuelga en el vacío. Una onda gravitacional —una ondulación del espacio-tiempo— lo atraviesa, y la barra comienza a vibrar de manera casi imperceptible.

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.

En la ciudad de las partículas elementales hay una casa justo en la frontera: la X(3872). Se alza exactamente en la línea que la separa de desintegrarse en dos estructuras más ligeras: el mesón D y el antimesón D. Un pequeño empujón y se desmoronaría. Pero la casa sigue en pie. Los físicos llevaban tiempo discutiendo qué la sostiene.

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.

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.

Desde que Fritz Zwicky notó que los cúmulos de galaxias se movían demasiado rápido, y Vera Rubin midió la rotación de los brazos espirales, la materia oscura sigue siendo el principal enigma de la cosmología.

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.

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.

Un agujero negro no es un objeto muerto. Tras una perturbación, como la fusión con otro agujero, resuena como una campana. Ese tañido no es solo un sonido, sino un conjunto complejo de oscilaciones amortiguadas que se denominan modos cuasinormales.

Imagina un rascacielos construido no con ladrillos individuales, sino con apartamentos tipo estudio completos. Así es exactamente como está estructurado el cristal Au₆Te₁₂Se₈: sus nodos no son átomos, sino clústeres superatómicos de oro y calcógenos que se comportan como objetos cuánticos unitarios.

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.

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.

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.

Buscas una habitación silenciosa para una conversación importante. Entras en el lugar y escuchas silencio. Pero al fijarte bien, resulta que en una esquina simplemente está rota la ventilación, y en la otra hay un hueco en el suelo que absorbe el sonido.

En el microcosmos, las fuerzas de largo alcance —la gravedad o la electricidad— no se apagan ni siquiera a distancias enormes. Por eso, cualquier partícula arrastra una estela de fotones o gravitones suaves (es decir, de muy baja energía). A esta estela se la llama «vestido»: sin ella, los cálculos se desmoronan y aparecen infinitos.

Sería un billar extraño si las bolas no tuvieran masa. No chocarían, sino que pasarían unas a través de otras sin notar obstáculos. Así se ve aproximadamente el intento de imaginar la luz como un flujo de partículas clásicas: pequeños corpúsculos elásticos que vuelan en línea recta. Una nueva demostración pone fin a esta imagen.

El universo es como un pastel de varias capas, donde la nuestra — estrellas, planetas y personas — es solo una de muchas. En la capa vecina, que los físicos llaman sector oculto, bullen sus propios procesos. Este trabajo trata sobre uno de esos procesos: una transición de fase de primer orden, cuando la materia cambia bruscamente de estado, como el agua que se convierte en hielo.

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.

Supersólido cuerpo — materia que es a la vez cristalina y fluida. Se crea a partir de átomos enfriados casi hasta el cero absoluto. En un nuevo trabajo, los físicos obtuvieron esta sustancia en forma de una red triangular de gotas. Cada gota oscila a su propio ritmo.

Un bloque de materia oscura a la deriva en el vacío: invisible, casi intangible. Nadie sabe de qué está hecho, pero un nuevo trabajo propone verlo como una gota de líquido cuántico.

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. Las ondas largas y las cortas se mueven a la misma velocidad: así se comporta el sonido ordinario en casi cualquier medio. Pero en los líquidos cuánticos todo puede ser diferente. Los físicos consideraron un superfluido donde las partículas se mueven a lo largo de una banda de energía "plana".

Una orquesta en la que cada músico toca su parte sin escuchar a los demás. De repente, sin una orden visible, los vecinos de atril empiezan a sincronizarse a la perfección, pero aún no hay una melodía común. Algo parecido ocurre en algunos materiales al enfriarse: los electrones pierden energía, como si se prepararan para la superconductividad, pero nunca llegan a ella.

Dos partículas cuánticas están unidas por un hilo invisible: una pierde energía, la otra la gana, pero la reserva total no cambia. Si solo seguimos a la primera, sus oscilaciones no se amortiguan: el ritmo es constante, como el de un púlsar cósmico, aunque desde fuera parezca que crece la entropía, el caos.

Tira una piedra a un estanque y verás ondas en el agua. Golpea una campana y resonará a su frecuencia. Un agujero negro tras colisionar con otro también "suena", solo que en lugar de sonido, lo que vibra es el propio espacio. Estas oscilaciones amortiguadas se denominan modos cuasinormales (como un tañido que se va apagando poco a poco).

El sonido viaja a través de un medio a una velocidad determinada. Si el medio se mueve más rápido, el sonido es arrastrado por el flujo, como una astilla atrapada en un remolino. En el helio superfluido —un líquido sin fricción— la rotación rápida genera vórtices-remolinos.

El péndulo de un reloj antiguo oscila porque un mecanismo de resorte lo empuja regularmente. Ahora imagina un péndulo que decide por sí mismo cuándo balancearse, y lo hace con un ritmo constante, solo porque en la habitación hace calor y hay una ligera corriente de aire.

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.

En un fino sándwich de semiconductores, la luz crea pares: un electrón y un hueco positivo que se mantienen unidos como una pelota atada a una goma elástica. Normalmente, estos pares, los excitones, emiten luz rápidamente y desaparecen. Pero hay otros, los oscuros, que viven cientos de veces más porque su estructura interna les impide ceder energía al exterior con facilidad.

Una batería normal de teléfono acumula energía en enlaces químicos: lentamente, con calentamiento y desgaste. Un condensador cuántico funciona de otra manera: no se carga con materia, sino con ritmo. Un columpio que se balancea al compás de los empujones acumula energía en el propio movimiento, sin fricción.