silicio

La escena está bañada en una luz gélida y sobre ella se encuentran los espectadores de silicio. Cada uno es una matriz de pequeños diodos de avalancha capaces de detectar un fotón individual, pero solo si la temperatura ambiente desciende a 165 K.

Una partícula entra en una lámina de silicio como un mensajero en una ciudad desconocida: no solo debe entregar la señal, sino también dejar un registro exacto de la hora de su visita.

En una habitación tranquila, sin un solo imán, dos electrones en una trampa de silicio siguen sintiendo un leve temblor. Lo crean los núcleos de los átomos de silicio y germanio, que giran caóticamente como las agujas de brújulas rotas. Antes se consideraba ese temblor una molestia, pero ahora se ha convertido en un instrumento de medición.

En una habitación tranquila, sin un solo imán, dos electrones en una trampa de silicio siguen sintiendo un leve temblor. Lo crean los núcleos de los átomos de silicio y germanio, que giran caóticamente como las agujas de brújulas rotas. Antes se consideraba ese temblor una molestia, pero ahora se ha convertido en un instrumento de medición.

El rayo láser en unas pinzas ópticas no es solo un punto de luz, sino una bolsa de fuerza. Una partícula que cae en él normalmente rueda hacia el punto más brillante, como una canica en un hoyo.

Crear un nodo de una red cuántica es como enseñar a un bailarín a equilibrarse sobre un hilo de carbono suspendido sobre un abismo. Un pie debe despegarse con facilidad, lanzando fotones mensajeros al mundo exterior. El otro debe aferrarse con firmeza a la cuerda, guardando la preciosa información cuántica.

Los cristales de perovskita capturan la luz solar casi como el silicio, pero cuestan una miseria. Su problema es una fragilidad innata: con el calor y la simple agua del aire, 'enferman'. En su interior crece el desorden, y la brillante lámina se vuelve turbia, perdiendo sus capacidades en un par de días.

El joven superjúpiter TWA5B — una esfera incandescente con 25 veces la masa de Júpiter — flota a solo unas decenas de años luz de nosotros. Su débil resplandor infrarrojo ocultó durante mucho tiempo su composición química.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta: cada músico lleva su parte, pero el más mínimo ruido en la sala puede descomponer al conjunto. Las partículas que almacenan información pierden fácilmente la cohesión por golpes térmicos o campos magnéticos errantes.

El acero no es un monolito, sino un mosaico de granos microscópicos soldados entre sí. Sus uniones, los bordes de grano, son el punto más vulnerable: ahí es donde comienzan las grietas. Los átomos de impurezas, incluso en cantidades ínfimas, se acumulan en estas uniones como arena entre engranajes, y pueden lubricar el mecanismo o atascarlo por completo.

El diamante es el material natural más duro y normalmente no conduce la electricidad. Pero si se añaden algunos átomos extraños a su red cristalina, puede convertirse en un semiconductor, como el silicio de los chips de computadora.

El silicio es el material del que están hechos los procesadores de todos los teléfonos y portátiles. Ahora se ha logrado atrapar un electrón individual y controlar su espín —ese diminuto imán que puede apuntar "hacia arriba" o "hacia abajo".

El carburo de silicio es un material con el que se fabrica blindaje para la electrónica. Resiste el calor, los golpes y la radiación, como las baldosas cerámicas del escudo térmico de una nave espacial. Pero incluso esa armadura tiene un punto débil: los contactos metálicos comunes se deterioran rápidamente bajo los rayos X.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe tocar su parte a la perfección, o la melodía se desmorona. Antes, controlar los cúbits —los "músicos" cuánticos— requería una sala llena de equipos, y cada cable extra añadía ruido.

Una cesta tejida de bambú no es solo un objeto cotidiano, sino un esquema exacto de la disposición de los átomos en el cristal YMn₆Sn₆. Seis átomos de manganeso forman hexágonos que se ensamblan en un patrón que recuerda al kagome japonés. En una red así, los electrones suelen comportarse de manera uniforme, como pasajeros en un vagón de metro abarrotado.

En un acelerador de partículas, los núcleos se rompen en fragmentos, como una taza de porcelana al caer. Cada fragmento atraviesa láminas de silicio, que registran el impacto y su intensidad.

En las entrañas de cada disco duro o memoria USB se esconde un material que sabe "recordar" el campo eléctrico. Ese material se llama ferroeléctrico. Si se le aplica un voltaje, dentro del cristal se giran diminutas regiones: los dominios, como las agujas de una brújula. Giraste la aguja: escribiste un uno; la giras de vuelta: cero.

Un transistor de potencia de carburo de silicio opera bajo voltajes miles de veces superiores a los de un enchufe doméstico. Si el campo se distribuye de manera desigual en su interior, el dispositivo se quema. Antes no se podía ver ese campo: es demasiado intenso para los sensores convencionales, y el dispositivo debe permanecer bajo tensión.

Un chip de silicio del tamaño de una uña alberga miles de millones de diminutos interruptores. Pero para un ordenador cuántico no se necesitan interruptores, sino electrones individuales atrapados en hoyos microscópicos. Estos hoyos son puntos cuánticos. Y aquí está el problema: dos hoyos vecinos que parecen idénticos pueden retener el electrón de manera distinta.

El silicio es como un bloque de construcción universal: con él se fabrican los chips de los teléfonos, los paneles solares y los láseres. Pero si se comprime con una fuerza enorme, los átomos se reorganizan en nuevos patrones: estas formas se llaman alótropos. Uno de ellos, el Si-XIII, se observó por primera vez hace más de veinte años, pero su patrón exacto seguía siendo un enigma.

Un superconductor ordinario funciona como un cable perfecto: los electrones se emparejan y fluyen sin resistencia. En el nuevo material TaPtSi, los pares están organizados de otra manera: su simetría interna está sesgada, y al enfriar por debajo de la temperatura crítica, dentro del cristal surgen por sí solos diminutos campos magnéticos.

Un superconductor ordinario y un campo magnético son como el agua y el fuego: el campo rompe los pares de electrones que transportan la corriente sin resistencia. Pero si en lugar de una película continua se utiliza un conjunto de granos diminutos de aluminio, cada uno recubierto por una fina capa de óxido, la situación cambia.

Un horno al rojo vivo en un taller o el escape caliente de una turbina no son solo calor, sino luz que el ojo humano no ve. Los paneles solares comunes capturan la luz visible, pero aquí se necesita un receptor para la radiación térmica invisible.

Un cristal es como un mosaico perfectamente colocado de átomos. Pero cultivar ese mosaico es una tarea con trampa: basta con que se altere el orden y aparecen "costuras": fronteras donde las filas de átomos no coinciden. Para la electrónica convencional es una nimiedad, pero para una computadora cuántica es una catástrofe.

Un fotón es como un auto en un estacionamiento de varios pisos, donde cada piso es su frecuencia (color). Normalmente se queda atascado en un nivel, pero los científicos agregaron un ascensor: un modulador programable que mueve al fotón entre pisos a voluntad.

La electrónica se calienta. Cuanto más potente es el procesador, más calor hay que disipar, o de lo contrario falla. Uno de los cuellos de botella es la frontera entre dos materiales: el calor choca contra ella como contra una junta entre baldosas y se ralentiza.

Cada electrón es como una peonza: gira sobre su propio eje. A esa rotación se la llama espín. En la electrónica convencional no se usa el espín, solo la carga. Y es una lástima: si aprendemos a controlar el espín, los chips serán más rápidos y eficientes.

Las capas retorcidas de átomos en un material forman un patrón de pequeñas regiones — los dominios — cada uno de los cuales puede estar electrizado en una de dos direcciones, como la aguja de una brújula que apunta al norte o al sur. Antes, estos materiales se estudiaban solo en conjunto, midiendo miles de dominios a la vez, y su comportamiento general era como un coro donde no se distinguen las voces individuales.

Si se calienta un extremo de un conductor y se deja el otro frío, los electrones comienzan a fluir del extremo caliente al frío. Normalmente, esto genera un voltaje a lo largo del conductor, como el agua que fluye por un canal inclinado. Pero en algunos materiales, los electrones se desvían lateralmente y el voltaje aparece a través del conductor.

El núcleo de un átomo suele tener una forma definida: alargada como un melón o achatada como una calabaza. Pero el silicio-30 se comporta de otra manera: parece no poder decidir cómo ser.

En un cristal de silicio, un átomo de fósforo mantiene un electrón extra en dos órbitas muy próximas. Estas órbitas se asemejan a dos pisos contiguos de un edificio, con una escalera casi imperceptible. Un breve pulso láser en el infrarrojo medio empuja al electrón desde el piso inferior al superior, y este comienza a balancearse entre ambos, como un péndulo.

En un cristal de carburo de silicio, parecido a una piedra transparente, se esconden defectos: lugares donde los átomos no están alineados. Uno de estos defectos funciona como un nodo cuántico: el electrón en su interior gira y procesa información, mientras que el núcleo de un átomo vecino la guarda silenciosamente.

Una computadora cuántica es una máquina donde, en lugar de bits ordinarios, trabajan los cúbits. Un cúbit puede ser no solo cero o uno, sino ambos a la vez. Una forma de crear un cúbit es tomar un electrón y hacer que flote sobre la superficie de helio líquido.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde los electrones y los núcleos tocan instrumentos diferentes. Normalmente, el director necesita dos batutas: microondas para los electrones y ondas de radio para los núcleos.

En el desierto chileno de Atacama, a casi cinco kilómetros de altitud, se alza un radiotelescopio que capta ondas milimétricas procedentes de las profundidades del cosmos.

Una oblea de silicio es como la masa para galletas. La calientas en el horno y en su interior aparecen pequeñas pasas: defectos en la red cristalina que pueden emitir fotones individuales. Estas "pasas" se llaman centros de color y son necesarias para los ordenadores cuánticos y las comunicaciones seguras.

Afinar un piano es un asunto delicado. Golpeas una cuerda y las vecinas responden. Algo parecido le ocurre a un chip de silicio con defectos en el cristal, que los físicos preparan para la computación cuántica. En el cristal de carburo de silicio (SiC) hay puntos especiales: las vacantes de silicio.

Un cristal de una sola capa atómica es como una hoja de papel en la que se puede escribir con electricidad. Este material promete convertirse en la base de microchips diminutos y rápidos. Pero antes de lanzarlo a producción, hay que saber exactamente de qué está hecho. Y aquí resulta que la fórmula habitual no cuadra.

Una diminuta escama de cristal reposa sobre un sustrato como una hoja otoñal en la palma de la mano. Su grosor es menor que un cabello humano, y en su interior bullen efectos cuánticos: superconductividad, orden magnético, líquido de espín cuántico.

Un puñado de nanocristales de sulfuro de plomo recubiertos con moléculas cargadas se ordena por sí solo en una red cristalina perfecta. Cada nanocristal es como un ladrillo de unos pocos nanómetros, y las moléculas cargadas en su superficie actúan como mortero.