acoplamiento espín-órbita

Sintonizar una radio para captar una estación que cambia de frecuencia al cruzar la frontera entre fases: así puede imaginarse el reto que tenían los investigadores. En el metal YbRh2Si2, los electrones se comportan como partículas "pesadas": su masa efectiva es cientos de veces mayor que la del electrón libre.

Un cartógrafo que dibuja no montañas ni ríos, sino las conexiones invisibles entre electrones: así podría describirse la nueva red neuronal. En lugar de coordenadas atómicas, toma orbitales moleculares y traza un grafo donde los nodos son los orbitales y las aristas, sus medidas de entrelazamiento cuántico.

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.

El campo magnético de la Tierra no es constante: tiembla por el viento solar, por tormentas lejanas, por el funcionamiento del metro. Para notar esas vibraciones se necesita un instrumento que no vibre por sí mismo. Los físicos han construido uno con átomos de iterbio enfriados casi hasta el cero absoluto.

Un átomo solitario de erbio yace sobre un sustrato de plata, y su espín —la rotación interna del electrón— almacena información cuántica. Antes, para invertir ese espín se necesitaba un pulso magnético: una herramienta tosca que afecta a los vecinos y trabaja lentamente. Ahora, físicos de Alemania y Corea han demostrado que basta con un voltaje eléctrico.

Un rayo láser se asemeja a un vorágine veloz que atrapa por un instante al electrón que pasa. Mientras la partícula atraviesa el pulso, su espín (una rotación intrínseca, como la de una diminuta peonza) sufre un leve empujón. Al salir del haz, la peonza ya no apunta en la misma dirección: se ha girado un poquito.

$$10^{-35}$$ segundos. Un instante diminuto en el que el universo se expande $$10^{26}$$ veces. Inmediatamente después, atraviesa miles de transformaciones rápidas — como una canica saltando a lo largo de una cadena de túneles. Esta cascada constituye la esencia de la inflación en cadena, propuesta por primera vez por Alan Guth.

Una cadena cuántica se parece a una guirnalda de luces, donde las bombillas son los espines de las partículas. En el caso ideal, todas las bombillas brillan sincronizadas, siguiendo un ritmo común: eso es la simetría. Pero si cortas un trozo de la guirnalda, el ritmo puede desajustarse: dentro del trozo, la simetría se rompe.

Un par de agujeros negros gira en un baile, acercándose gradualmente. Pierden energía y rotación, un proceso que se conoce como emisión de momento angular. En la teoría ordinaria de Einstein, solo las ondas gravitacionales se llevan el momento.

Una escalera de caracol por la que ruedan canicas. Unas giran hacia la derecha, otras hacia la izquierda. Los peldaños están dispuestos de tal manera que las que giran a la derecha pasan más rápido, mientras que las de la izquierda se atascan. Algo muy parecido ocurre dentro de las moléculas helicoidales, como la doble hélice del ADN.

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.

El núcleo atómico no es solo una bolita de protones y neutrones. Tiene forma, y esa forma puede cambiar. Durante mucho tiempo se consideró que el núcleo de estaño-116 era casi una esfera perfecta: tiene 50 protones, un número «mágico» que normalmente otorga simetría esférica al núcleo. Pero una nueva medición de ultra precisión mostró otra cosa.

En el corazón de una futura computadora cuántica podría encontrarse una diminuta molécula orgánica con forma de triángulo. Tiene dos electrones 'extra' que no encuentran pareja. Estas moléculas se llaman diradicales, y sus electrones pueden almacenar información de una manera especial, cuántica.

Es muy probable que los ordenadores cuánticos del futuro se comuniquen mediante luz. El átomo almacena la información y el fotón la transporta por la red. Pero el átomo no permanece inmóvil: tiembla, oscila, y ese movimiento puede estropear la señal. Antes, los ingenieros solo sabían calcular el caso de un átomo inmóvil.

Una hoja de papel cuadriculada, una con rombos y otra con panales: tres universos distintos para una hormiga. Cambia la hoja y cambian las reglas del movimiento. Algo así sienten los electrones en una red cristalina: la geometría dicta si serán imanes, superconductores u otra cosa. En los materiales comunes, la red es rígida, como grabada.

Un diminuto cristal de átomos cargados, atrapado en una trampa, tiembla por el calor. Cada ion oscila como una bolita en un resorte, y estas oscilaciones impiden utilizar el cristal para operaciones cuánticas precisas. Normalmente, el exceso de energía se elimina con un láser: el haz golpea los iones y frena su movimiento, como una corriente de aire que amortigua un péndulo.

El espacio-tiempo puede imaginarse como una tela bien tensada. Un cuerpo masivo la hunde, dirigiendo la luz. El giro, en cambio, retuerce la tela en espiral. Ese remolino gravitacional es capaz de entrelazar un fotón pasajero con la propia fuente del giro — por ejemplo, un diminuto espejo.

Cualquier instrumento de medición se ve afectado por el ruido cuántico — el temblor caótico de las partículas elementales. Para dominarlo, los físicos aplicaron a moléculas de fluoruro de calcio un truco similar a apretar un globo: presionas en un lugar y sobresale en otro.

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.

Se hace pasar corriente a través de un resorte de moléculas orgánicas y, a la salida, casi todos los electrones giran en la misma dirección. Este truco se conoce como selectividad quiral de espín y durante mucho tiempo ha desconcertado a los físicos.

En el cristal de nitruro de boro, la red atómica perfecta a veces se rompe: en algún lugar falta un átomo, en otro lo reemplaza uno extraño. Bajo un potente microscopio, estas diminutas imperfecciones se ven como trampas para electrones: capturan partículas y comienzan a brillar, y además responden a un campo magnético.

La pista de baile está llena de gente: cada uno se mueve por su cuenta, nadie se toma de las manos. De repente, la música se vuelve más fuerte y rítmica: los vecinos empiezan a agarrarse unos a otros, formando parejas que giran sincronizadas.

Recordar un número de teléfono mientras a tu alrededor gritan y dan portazos es casi imposible. Así vive un bit cuántico —un qubit— en un material ordinario: los núcleos de los átomos vecinos, como pequeños imanes, no dejan de tirar de él y borran la información. Para que el qubit no olvide, hay que encontrarle un lugar tranquilo. Ese refugio resultó ser el óxido de cerio, un polvo parecido a la arcilla blanca.

En un trozo de imán ordinario, todos los espines electrónicos —las diminutas agujas magnéticas— apuntan en la misma dirección. Es una fila de soldados mirando al frente. Ese orden se llama altermagneto colineal.

Un malabarista lanza mazas sentado en una silla giratoria. Si comienza a hacer girar las mazas todas en la misma dirección, la silla girará en sentido contrario; de lo contrario, se violaría la ley de conservación del momento angular.

Imagina una sala abarrotada donde cada persona es una molécula y su conversación privada es el movimiento de los electrones en su interior. En una situación normal, todos hablan consigo mismos y el murmullo general es caótico.

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".

En los primeros instantes de la vida del universo, el espacio estaba lleno de plasma caliente, donde las partículas aparecían y desaparecían como burbujas en una olla hirviendo.

Un susurro en medio de una cascada atronadora: así es como los físicos buscan el efecto gravitomagnético, la diminuta influencia de la gravedad sobre la rotación de las partículas. En iones altamente cargados, donde los electrones están casi completamente arrancados, este efecto debería ser más notable. Pero el propio átomo genera un ruido eléctrico que ahoga la señal.

En una sala vacía, el sonido rebota entre las paredes convirtiéndose en un eco retumbante. Una cavidad óptica es la misma cámara de eco, pero para la luz.

Dos partículas que se separan en direcciones opuestas se comportan como un todo: la medición de una determina instantáneamente el estado de la otra. Este entrelazamiento cuántico se conocía desde hace tiempo en partículas ligeras, pero ahora se ha observado por primera vez en los pesados bosones Z, los portadores de la interacción débil.

El magnetómetro cuántico basado en núcleos de hidrógeno funciona como auriculares con cancelación activa de ruido. Escucha el campo alternativamente de dos formas distintas: el ruido es igual en ambas, pero la señal útil es diferente. Al restar una de la otra, el dispositivo aísla la señal, reduciendo las interferencias más de 1000 veces.

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.

Un anillo de átomos magnéticos recuerda a una ronda en la que cada participante toma de las manos a sus vecinos. En los imanes ordinarios, cada átomo posee su propio momento magnético permanente, y estos interactúan como pequeñas agujas que tienden a alinearse en direcciones opuestas.

Dos capas de material magnético, giradas entre sí fracciones de grado, como dos rejillas ligeramente desplazadas en una ventana. En estado normal no producen nada especial, pero con un cierto ángulo de giro surge en el material un efecto inesperado.

El láser golpea un átomo de estroncio y de él salen dos electrones a la vez. Antes se pensaba que en esta doble ionización cada electrón actuaba por su cuenta: uno es expulsado primero, el segundo después, al azar.

Un diminuto diamante flota en el aire, sostenido por un campo eléctrico, como una mota de polvo en un rayo de luz. En su interior se esconden defectos: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por nitrógeno y, junto a él, hay un hueco.

Cuando la luz arranca un electrón de una molécula, los electrones restantes no se quedan quietos: se reacomodan, como los pasajeros de un vagón cuando uno se baja en la parada. En las moléculas ordinarias, este reacomodo es casi imperceptible, pero en las quirales —espejadas, como la mano izquierda y la derecha— puede hacer que los orbitales roten.

Un qubit es como un inquilino en un diminuto apartamento: normalmente ocupa la planta baja para no distraerse con los vecinos de arriba. En los puntos cuánticos de germanio, donde viven los qubits de espín, ese inquilino es un hueco, es decir, un lugar sin electrón. El hueco tiene un espín que funciona como una diminuta aguja magnética.

Un superconductor ordinario se parece a una fila de soldados marchando en parejas: los electrones se unen y sus espines (peonzas internas) apuntan en direcciones opuestas. El campo magnético voltea fácilmente esos pares, destruyendo la superconductividad. En UTe₂ todo es distinto.