detector superconductor

Sobre la mesa hay un pastel de capas hecho con escamas de nitruro de boro hexagonal, un material parecido al grafito, pero formado por átomos de boro y de nitrógeno. Una de las escamas se transfiere con cuidado sobre otra y, en el punto donde se solapan, tras calentarlas en oxígeno nacen brillantes fuentes de luz individuales.

Un diminuto agujero negro atraviesa una nube de hidrógeno y estira los átomos como si fueran caramelo. Así se ve un superconductor cuando alberga una corriente persistente: el material en el que la electricidad fluye sin pérdidas se convierte en un imán permanente en miniatura.

Un globo terráqueo está sobre la mesa y una regla descansa a su lado: uno es curvo, la otra es recta. Los telescopios de rayos X han vivido con esta discrepancia durante años. Sus espejos concentran la luz sobre una superficie curva, como el globo, mientras que los detectores que capturan esa luz eran planos, como la regla.

Los antiguos mapas del tesoro se dibujaban a partir de rumores: alguien encontraba oro junto a un río, otro en las montañas, y cada uno cavaba en su propio sitio. Con los superconductores de alta temperatura ocurrió algo parecido: los cuprados se hallaron en unos compuestos, los pnicturos de hierro en otros, los niquelatos en unos terceros, y no había un mapa general.

Un interferómetro cuántico superconductor es un dispositivo que detecta campos magnéticos miles de millones de veces más débiles que la aguja de una brújula común. En su interior hay un puente estrecho donde la superconductividad se interrumpe por un instante.

La luz de una estrella, al atravesar la atmósfera y la óptica del telescopio, tiembla como los reflejos del sol en el agua. En esa ondulación se esconden los planetas: débiles destellos junto a una luz deslumbrante. Para verlos, hay que congelar la ondulación: hacer que la luz sea uniforme, como un cristal.

El universo nos envía señales constantemente, pero muchas son demasiado débiles para percibirlas. Los neutrinos reliquia —partículas que quedaron del Big Bang— atraviesan la Tierra por miles de millones cada segundo, pero atrapar al menos uno es una hazaña al borde de lo posible.

La orquesta toca, pero el director solo oye un murmullo general. Cada instrumento lleva su parte, pero no se distingue dónde está la flauta y dónde el contrabajo. Se necesita un analizador de espectro: un dispositivo que descompone el sonido por frecuencias.

Muchos materiales se comportan como un hielo caprichoso: a una presión se derriten y a otra se vuelven más duros. Los superconductores de la familia de los cupratos no son una excepción. Su capacidad para conducir corriente sin pérdidas depende de cuán comprimida esté la red cristalina.

Normalmente la luz no convierte un aislante en conductor: para eso se necesitan pulsos láser potentes que rompan la estructura del material. Pero en el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico todo es distinto.

Los ingenieros crean una aleación para concentradores solares añadiendo partículas duras, como pasas en la masa, para que mantenga su forma bajo un calor extremo. Si las pasas son demasiado grandes, el material se agrieta. Antes, los científicos las contaban manualmente en imágenes de microscopio.

Un interruptor que sabe por sí solo hacia dónde fluir. Así funciona un diodo de Josephson: un puente superconductor donde la corriente pasa con facilidad en un sentido y encuentra resistencia en el otro. En el nuevo trabajo, ese puente se fabricó con grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor.

Cuando una estrella masiva muere, su núcleo se contrae y se produce la explosión de una supernova. El cataclismo genera torrentes de partículas, como las ondas al lanzar una piedra. Primero llegan los neutrinos veloces, que atraviesan la Tierra casi sin interactuar. Luego, con horas de retraso, aparecen las partículas fantasma de carga minúscula.

Los superconductores conducen corriente sin pérdidas, pero normalmente requieren un frío extremo. El Hg1223 —una mezcla de mercurio, bario, calcio, cobre y oxígeno— rompe la regla: deja de oponer resistencia a la corriente a –139 °C. El secreto es que la intensa repulsión eléctrica obliga a los electrones a emparejarse.

Un fotógrafo fotografía un bosque nocturno e intenta capturar luciérnagas en el encuadre. Los destellos son raros, débiles, y alrededor hay ruido del viento y luces lejanas. Así funciona aproximadamente el enorme detector Hyper-Kamiokande en Japón: captura neutrinos —partículas casi intangibles— mediante diminutos destellos de luz en 260 mil toneladas de agua.

El haz de una linterna dirigido a través de un vidrio esmerilado se convierte en una mancha difusa con cada milímetro adicional de grosor. Algo similar ocurre con los centelleadores: materiales que convierten los rayos X en luz visible. Son la base de las imágenes médicas, la inspección de equipaje y los detectores en aceleradores.

Cuatro pequeños charcos, y en ellos chapotean gotas de un líquido superfluido. Estas gotas son átomos enfriados casi hasta el cero absoluto y unidos en pares, como pequeños imanes. Cuando toda la estructura gira, el líquido fluye entre los charcos. Basta con contar cuántas gotas hay en cada uno para conocer el ángulo y la velocidad de rotación.

Un pluviómetro común recoge el agua en un cubo y muestra el volumen total de precipitación. Pero el nuevo dispositivo es como una palma sensible que percibe cada gota que cae y las cuenta, incluso cuando son varios miles. Precisamente eso es lo que han construido los físicos.

Dos músicos en habitaciones diferentes tocan la misma nota. El sonido debe ser tan idéntico que el oyente no pueda distinguir quién toca. En el mundo cuántico, el papel de esos músicos lo desempeñan las fuentes de fotones individuales: partículas de luz que deben ser indistinguibles entre sí.

El campo magnético de la Tierra, que hace girar la aguja de una brújula, es fuerte. El nuevo sensor detecta campos cien mil veces más débiles, y para ello no necesita ni helio líquido ni instalaciones voluminosas. Todo cabe en una placa de circuito impreso, igual que la que hay dentro de un teléfono inteligente.

En lo profundo de la montaña japonesa Ikeno, un tanque contiene cincuenta mil toneladas de agua ultrapura. En él se capturan neutrinos —partículas fantasma que atraviesan la Tierra de lado a lado, casi sin notarla. Cuando una estrella explota en nuestra galaxia, los neutrinos llegan primero, horas antes que la luz.

Una aguja metálica desciende sobre un trozo de superconductor. Todo ocurre dentro de un refrigerador que enfría la muestra hasta 30 milésimas de grado por encima del cero absoluto, cien veces más frío que el espacio exterior.

Un microscopio óptico común se topa con un límite: no distingue dos puntos si están a menos de 200 nanómetros, aproximadamente el grosor de una burbuja de jabón dividido por cien. Para ver más allá, los científicos hacían que las moléculas de la muestra parpadearan o se desvanecieran, pero esos trucos son lentos y dañan las células vivas.

La luz infrarroja no es visible al ojo, pero está en todas partes: desde el mando del televisor hasta el calor del cuerpo humano. Para capturarla se necesitan materiales especiales. Los detectores comunes son voluminosos, rígidos y no se ajustan bien a la longitud de onda deseada.

Un electrón en un campo magnético es como una diminuta peonza que gira y emite un débil 'chirrido' a su frecuencia. Escuchar ese chirrido directamente es casi imposible: se pierde en el ruido. Los científicos han ideado un resonador: una tira superconductora de microondas que funciona como un diapasón afinado a la misma nota.

Una fina lámina de grafeno de unos pocos micrómetros de espesor se colocó en un campo magnético débil, y comenzó a expulsarlo de su interior, como una esponja que, al ser comprimida, expulsa el agua.

La corriente eléctrica en un superconductor es como una multitud que corre por un pasillo sin fricción. Pero en los superconductores de tipo II hay obstáculos: diminutos vórtices de campo magnético que la corriente desplaza. Cuando un vórtice se mueve, aparece resistencia y la corriente disminuye.

La materia oscura es una masa invisible que mantiene unidas las galaxias. Se desconoce su naturaleza, pero uno de los candidatos más probables es el axión, una partícula ultraligera que casi no interactúa con la materia. Para atraparlo, los físicos han creado una trampa híbrida.

Sintonizar la radio en tu emisora favorita es buscar la frecuencia adecuada entre el ruido. El nuevo dispositivo hace lo mismo, pero con ondas de unos tres milímetros de longitud. Estas ondas llegan de galaxias lejanas y, quizás, de partículas de materia oscura.

Las ondas de radio nos rodean, pero el ojo no las ve. Un nuevo sensor del tamaño de una uña las convierte en una mancha de color en una pequeña pantalla. Dentro del chip hay una capa de cristales líquidos, los mismos que se usan en las pantallas de los teléfonos. Entre ellos se entretejen finos hilos ferromagnéticos. Cuando llega una onda de radio, los hilos se calientan rápidamente.

Un superconductor es un material que, cuando se enfría mucho, conduce la corriente sin pérdidas, como el agua que fluye por una tubería perfectamente lisa. Pero si lo golpeas con un destello corto de luz, pierde esa propiedad rápidamente.

En un frío profundo, a solo dos grados por encima del cero absoluto, una cavidad de cobre del tamaño de una cacerola escucha el silencio del universo.

Una película semiconductora de un átomo de espesor es como una membrana finamente tensada. La luz la hace brillar: se generan puntos luminosos (excitones) que se apagan rápidamente. Donde la membrana está rasgada o arrugada, el brillo tiembla y se interrumpe, como una cuerda con un nudo que suena desafinada.

El receptor no capta ondas de radio, sino luz submilimétrica: lo que emiten las nubes frías de gas y polvo en galaxias lejanas. En su interior hay una rejilla de diminutos resonadores, cada uno sintonizado a su propia frecuencia, como las cuerdas de un piano a las notas.

Una fina película de arseniuro de indio sobre un sustrato aislante se comporta como un termo de doble pared: los electrones en su interior apenas ceden calor al cristal circundante. En un metal común, los electrones intercambian rápidamente energía con las vibraciones de los átomos, por lo que su temperatura siempre está cerca de la del material.

Una cámara que no capta luz, sino un flujo de electrones reflejados por un cristal, es un detector híbrido de píxeles. Es capaz de contar cada electrón que incide en él, casi sin generar ruido propio. En modo normal, cuando el haz de electrones fluye de forma continua, el detector funciona perfectamente.

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.

Un fotón de rayos X entra en el sensor como una piedrita en aguas tranquilas. El agua es una fina película de aluminio y manganeso, enfriada casi hasta el cero absoluto. El impacto en la película genera una onda de calor, y por su altura se puede saber cuánta energía traía el fotón.

El aparato de rayos X en odontología toma una sola imagen plana del diente. Pero si necesitas ver el interior de un microchip desde todos los ángulos, tienes que llevar la muestra a un sincrotrón, un acelerador del tamaño de un campo de fútbol.

Un haz de rayos X incide sobre un trozo de superconductor y este se calienta de forma casi imperceptible. Ese aumento de temperatura, de milmillonésimas de grado, es la única huella que deja la luz. El nuevo detector lo capta, como un termómetro muy sensible pegado a un metal frío.