semimetal

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.

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.

El armazón magnético del cristal EuMnSb2 recuerda a un andamiaje: los átomos de manganeso forman postes verticales rígidos, y los de europio, travesaños móviles. Hasta ahora no había consenso sobre el ángulo de inclinación de estos travesaños en reposo ni sobre cómo giran cuando el campo magnético presiona sobre el andamio.

El interruptor hace clic y la luz se enciende. Pero hay interruptores que, con la misma pulsación, pueden encender la lámpara o dejar la habitación a oscuras. Además, recuerdan lo que hicieron la última vez y, a veces, parecen lanzar una moneda al aire para decidir si encienden la luz.

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.

En un cristal, los electrones no se distribuyen al azar. Sus ondas obedecen la simetría de la red, como las ondas en el agua adoptan la forma del aro que se lanza en ella. El nuevo trabajo muestra que, en puntos de alta simetría, esas ondas deben tener nodos: lugares donde la densidad electrónica es estrictamente cero.

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.

Dos capas de diseleniuro de wolframio —no de carbono, sino de un compuesto de wolframio y selenio— se giran una respecto a la otra un ángulo diminuto, de unos 5 grados. Surge un patrón de moiré: una red periódica aumentada donde los electrones se comportan de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal ordinario.

Los electrones en un cristal recuerdan a los coches en las calles de una ciudad: unos circulan a toda velocidad por las avenidas, otros se quedan atascados en atascos. En algunas redes, el movimiento se congela por completo: la velocidad deja de depender de la energía y los electrones se vuelven «planos». No es un atasco, sino un ritmo especial de la red, donde las ondas se cancelan entre sí.

Dos láminas de semiconductor tan finas como papel se superponen y se giran ligeramente, unos tres o cuatro grados. Las redes atómicas no coinciden y aparece un patrón grande: el muaré, parecido a la ondulación de dos tablas de lavar desplazadas un pequeño ángulo. En este patrón, los electrones se mueven de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal normal.

En los metales que conocemos, como el cobre, los electrones se mueven casi independientemente, como coches en una autopista despejada. La resistencia surge de colisiones raras y puede describirse con fórmulas sencillas.

Un cristal es como una ciudad: si las calles son torcidas, el tráfico se atasca. En un cristal, el papel de las calles lo juegan las filas de átomos, y el tráfico es el flujo de electrones. Cualquier pequeña irregularidad, impureza o desplazamiento de un átomo hace que los electrones se dispersen.

Un panal está construido con celdas idénticas, pero basta con alterar ligeramente la forma de una para que toda la estructura adquiera nuevas propiedades. Algo similar hicieron los investigadores al crear un imán sin un solo átomo de metal. Tomaron moléculas planas de carbono con forma de triángulo —los triangulenos— y las dispusieron en una red hexagonal, como las abejas construyen su panal.

Un cristal ordinario es como un edificio de apartamentos: los electrones se mueven por pasillos y escaleras comunes, influyéndose unos a otros a través de las paredes. Ahora quitemos todas las paredes y dejemos una sola línea de apartamentos.

Una lámina de ditelururo de tungsteno de un átomo de grosor se parece a un papel de aluminio fino: los electrones no la atraviesan porque entre sus estados posibles hay una banda prohibida, como una zanja que no se puede saltar. Añade dos capas más, y la zanja desaparece: el material se vuelve metálico y la corriente fluye.

Un suelo de mosaico formado por muchas baldosas pequeñas, giradas en direcciones distintas. Parecería que cualquier patrón que intente atravesar ese suelo debería desordenarse y desaparecer. Así se piensa normalmente del desorden en los cristales: si los átomos no están alineados en una red perfecta, los efectos cuánticos sutiles deberían destruirse.

Cuando pulsas el interruptor, la luz no se enciende de inmediato: los electrones en los cables necesitan tiempo para 'ponerse en marcha' y moverse juntos. En los metales y semiconductores comunes, la corriente gana fuerza gradualmente, como el agua en una manguera cuando acabas de abrir el grifo.

La pista de baile está llena de gente que se mueve cada uno por su cuenta. De repente, algunos se dividen en parejas: giran sin apenas notar a los vecinos, mientras los demás se alinean en cadenas. Algo así hacen los átomos en el metal CsCr₃Sb₅, uno de los representantes de los metales kagome, cuya red cristalina recuerda a una cesta tejida.

Un alambre fino del nuevo material conduce electricidad sin pérdidas si se enfría a tres grados por encima del cero absoluto. Es como agua que fluye por una tubería sin encontrar fricción en las paredes. El material se llama PtPb3Bi y su peculiaridad es su estructura interna, similar a un haz de hilos: los electrones corren libremente a lo largo del hilo, pero saltan con dificultad entre hilos.

Una cesta tejida con mimbre mantiene su forma gracias al entrelazado. Un patrón similar —triángulos unidos en una red plana— se ha descubierto en un nuevo cristal con fórmula Cs₃V₉Te₁₃. Aquí, los átomos de vanadio forman dos conjuntos de triángulos que se atraviesan mutuamente, como hilos en una tela.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor es como una malla metálica flexible por la que los electrones se mueven casi sin obstáculos. Apila dos de estas láminas con un ligero desplazamiento y las propiedades del material cambian drásticamente: puede convertirse en un aislante que no conduce la corriente.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor se retuerce en un ángulo pequeño, y comienza a comportarse como un pastel de capas, donde las capas están ligeramente giradas entre sí. En un cierto ángulo de giro, este material se convierte en superconductor: los electrones comienzan a moverse en pares, como bailarines de vals, sin perder energía.

En el patrón de una cesta tejida, donde las varillas se entrelazan formando triángulos, una parte de los electrones queda atrapada en su lugar, como monedas en las rendijas del tejido. Otros electrones corretean libremente por toda la cesta, como la luz por una habitación.

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.

Un metal es un mar de electrones que se mueven casi libremente y chocan solo de vez en cuando. Pero en algunos materiales, ese mar se vuelve de repente viscoso e impredecible: los electrones dejan de comportarse como partículas independientes. Los físicos llaman a este estado 'no fermi-líquido', y sigue siendo un misterio.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe tocar su nota sin desafinarse. Pero los cúbits superconductores tienen un problema común: en sus electrodos se acumulan cargas aleatorias y la «nota» se desvía. Los ingenieros llaman a esto deriva de la compensación de carga y normalmente luchan contra ello durante años.

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 ordenador cuántico es como una orquesta en la que cada músico debe entrar exactamente a tiempo. El más mínimo susurro en la sala desconcierta al violinista y la melodía se desmorona. En los chips de silicio, el papel de esos susurros lo desempeña el ruido eléctrico: fluctuaciones aleatorias de la carga dentro del material. Hacen que los bits cuánticos se equivoquen.

El bismuto bidimensional sobre un sustrato de silicio es un material prometedor para la electrónica del futuro. Sus bordes conducen la corriente sin pérdidas, como una autopista de alta velocidad sin semáforos. Pero el bismuto es delicado: el aire y la humedad deterioran rápidamente sus propiedades.

Un bit cuántico es como una peonza que debe girar durante mucho tiempo sin tambalearse. En el germanio, los científicos han aprendido a poner en marcha estas peonzas, pero el suelo siempre tiembla: las interferencias eléctricas perturban el giro.

Un electrón en un metal normalmente se parece a una persona en hora punta: choca constantemente con otros y pierde la dirección. Pero si se eliminan los obstáculos, puede volar en línea recta, como un auto por una autopista vacía de noche. Ese movimiento se llama balístico, de la palabra "balista", una antigua máquina de asedio que lanzaba piedras sin obstáculos.

La tapa que chasquea de un tarro de mermelada es la heroína de esta historia. La presionas y, con un chasquido sonoro, salta de la posición convexa a la cóncava. Exactamente así se comporta la viga articulada dentro de cada celda de la nueva rejilla mecánica. Los científicos han montado con estas vigas que chasquean una malla hexagonal, como un panal, pero de placas elásticas.

Una almohadilla de goma común amortigua las vibraciones como una manta gruesa apaga el sonido: cuanto más gruesa y pesada, mejor. Los ingenieros llevan tiempo soñando con un material que sea ligero pero que "devore" las oscilaciones tan bien como un amortiguador macizo.

Una autopista de alta velocidad por la que los coches circulan casi sin frenar: así es la capa de un semiconductor ultrapuro donde los electrones recorren distancias enormes sin una sola colisión. Los científicos han construido un transistor en el que los electrones corren el doble de rápido que en cualquier dispositivo similar hasta ahora.

La teoría clásica de la superconductividad teoría de la superconductividad, creada por John Bardeen y sus colegas, no explica por qué excelentes conductores como el oro y el cobre nunca pasan al estado superconductor.

En el material NaAlSi, al enfriarse, los electrones forman un rizado fugaz: franjas que aparecen y desaparecen, como un patrón en el agua al soplar el viento. Estas franjas se entrelazan con la superconductividad, un estado en el que la corriente fluye sin resistencia. Normalmente, para ello los electrones se emparejan con la misma energía de enlace.

El diamante no es solo una joya. Este cristal puede conducir electricidad cuando aparecen portadores de carga libres: electrones y huecos. Pero, ¿qué tan rápido se mueven? En los artículos científicos, las cifras varían decenas de veces. Un laboratorio reporta una velocidad de 1000 cm²/(V·s), otro de 4000.

En un metal hay muchos electrones libres: se mueven entre los átomos como un enjambre de abejas alrededor de la colmena. Si se atraviesa ese metal con un fino hilo magnético, los electrones empiezan a sentir su campo. Un nuevo cálculo ha mostrado que no se limitan a rodear el campo, sino que lo encierran en su interior, como un tapón retiene el agua en una botella.

El grafeno es una lámina de carbono de un átomo de espesor. Si se corta en tiras estrechas, se obtienen nanocintas de grafeno. Sus propiedades dependen de cómo se corte la tira: como con un mismo trozo de tela se puede coser tanto un mantel liso como una falda plisada. En el nuevo trabajo, los químicos ensamblaron una cinta de forma asimétrica.

Dos piezas de grafito se frotan entre sí y la resistencia desaparece, como si una película invisible de aceite las separara. Antes, esto solo se veía bajo el microscopio, en puntos de contacto diminutos.