efectos fotónicos topológicos

Una esponja regada lentamente con una regadera se empapa por completo. Pero si le arrojas de golpe el mismo cubo de agua, el centro se moja y los bordes quedan casi secos. Así se comporta un material que absorbe energía de forma no lineal: cuanto más intenso es el flujo, más se queda atrapado en el punto de impacto. En este nuevo trabajo, esa imagen se convierte en un modelo mínimo.

Una pila de cartas de juego yace inmóvil. Puedes deslizar la carta superior con el dedo y moverla: eso es una intervención brusca. O puedes soplar suavemente para que toda la pila cambie de forma por un instante, sin que las cartas salgan volando. Así, aproximadamente, la luz en este nuevo experimento reorganiza el cristal de seleniuro de estaño (SnSe).

Dos piedrecitas caen al agua a cierta distancia. Las ondas que generan corren una hacia la otra y en algunos lugares se cancelan: el agua queda lisa, aunque cada piedra por separado habría creado ondas. Algo parecido hace un par de fotones (partículas de luz) nacidos en el mismo cristal y que vuelan en direcciones opuestas.

Un haz de láser débil incide sobre una diminuta estructura: una cavidad híbrida de metal y vidrio. Dentro está encerrada una única molécula luminosa. Normalmente, esa luz solo cambia ligeramente de color al dispersarse en las vibraciones térmicas de los átomos.

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.

Un rayo de luz entra en un vidrio esmerilado y se apaga: algo común. Pero los físicos saben desde hace tiempo cómo hacer que la luz lo atraviese sin perder ni un fotón. Ese truco se llama transparencia inducida electromagnéticamente: dos ondas de luz se cancelan mutuamente en el punto adecuado y la absorción desaparece.

Imagina una capa multicapa donde las capas de metal y aislante se alternan como las hojas de un libro. Esta estructura puede hacer invisible a un observador el objeto escondido en su interior. La luz lo rodea, como el agua fluye suavemente alrededor de una piedra lisa: sin ondas ni salpicaduras, sin reflejos ni sombras.

La inflación es la expansión ultrarrápida del universo en sus primeros instantes. La provocó un campo similar a una bola que rueda cuesta abajo. Pero junto a él podría haber habido una segunda bolita, casi imperceptible.

La luz de una bombilla común parece completamente caótica: sus ondas oscilan de manera descoordinada, como una multitud en la que cada persona camina en una dirección distinta. A esa luz se la llama incoherente.

Un campo magnético puede impedir que una estrella colapse por completo: así funciona la idea de este nuevo agujero negro. En lugar del familiar punto de densidad infinita, en su interior hay un campo que impide que el espacio se contraiga hasta cero. Es como un muelle: cuanto más lo comprimes, más resistencia opone.

La luz, descubierta por Maxwell, se comporta de manera diferente en distintos medios. En un nuevo estudio se modeló un cristal bidimensional que absorbe luz y tiene propiedades magnéticas.

La llama de una vela tiembla con la corriente de aire, pero no se apaga: la lengüeta solo cambia de forma por un instante y vuelve. Más o menos así se comportan los skyrmiones ópticos — diminutos vórtices en el campo del haz, que recuerdan a remolinos de agua. Hasta hace poco, solo se obtenían en luz láser ideal y uniforme.

Un sensor de luz común responde a la pregunta «cuánta luz hay», pero no «de dónde viene». Para eso se usan lentes, espejos o matrices enteras. En el nuevo trabajo se propone un sensor que, sin óptica alguna, determina por sí mismo la dirección del rayo. Dentro del sensor hay una capa delgada donde los electrones se deslizan libremente, como agua en un plato poco hondo.

Un estallido de rayos gamma es un destello de luz breve pero extremadamente potente, que se produce cuando se fusionan estrellas de neutrones o cuando colapsa una estrella masiva. Dentro de ese destello, chorros de plasma se mueven a velocidades enormes y chocan entre sí.

La luz normalmente empuja a un átomo en línea recta, como el viento a una vela. Pero si el rayo se retuerce como un sacacorchos, la imagen cambia: el átomo puede salir despedido hacia un lado, como si lo hubiera enganchado una rueda giratoria.

Una lente normal siempre refracta la luz de la misma manera. Sus propiedades quedan congeladas en el vidrio para siempre. Pero ahora ha aparecido una superficie que cambia las reglas del juego mientras trabaja. Los científicos han creado una película finísima con elementos resonantes y la han impregnado con cristales líquidos, la misma sustancia que se usa en las pantallas de los teléfonos.

Un rayo láser retorcido en espiral se parece a un embudo en un lavabo: la luz no solo avanza, sino que también gira. Estos rayos vorticiales ya ayudan a mover partículas diminutas y a transmitir más datos. Pero en cuanto atraviesan un medio no homogéneo, el vórtice se deshace, como el agua de un cubo agujereado.

Un nadador que corta el agua a la velocidad de las olas que corren sobre ella se encuentra en una situación extraña: las olas que él mismo genera no pueden ni adelantarlo ni quedarse atrás. Se acumulan frente a su proa y se congelan. Un fenómeno similar ocurre cuando una fuente de luz se mueve dentro de un medio a una velocidad que coincide con la velocidad de transferencia de energía de las olas.

La película lagrimal del ojo es una capa finísima de líquido que protege la córnea y mantiene la nitidez de la visión. Normalmente se la representa como una superficie perfectamente lisa, pero la córnea real, incluso la sana, está cubierta de irregularidades microscópicas.

Una gota de agua sobre una hoja bajo el sol desaparece más rápido de lo que debería según los cálculos de calor. Hace unos años surgió una hipótesis: la luz por sí sola, sin calentar, podría arrancar moléculas de agua de la superficie. Esto se denominó efecto fotomolecular.

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.

La diminuta alga verde Chlamydomonas pasa su vida remando con sus dos flagelos hacia la luz, como un nadador hacia la orilla. Percibe la luz mediante una proteína fotorreceptora, y detrás de ella tiene una pequeña mancha roja, el 'ojo', que proyecta una sombra y ayuda a saber de dónde viene la luz.

Un punto luminoso del tamaño de una molécula. Se hace pasar una corriente a través de él y se enciende como una diminuta bombilla. Así es el experimento con moléculas de colorante sobre una fina película de sal. Cuando la corriente alcanza la molécula, un electrón le transfiere energía. La molécula devuelve esa energía de inmediato en forma de luz.

La luz de una bombilla normalmente se dispersa en todas direcciones, y atraparla en varios canales en partes exactamente iguales es todo un rompecabezas. En el nuevo trabajo, la luz se divide en nueve haces idénticos sin una sola lente ni espejo. En su lugar, se usa una placa de vidrio con canales grabados que actúan como guías de onda, por los cuales la luz se distribuye de la manera deseada.

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.

La luz cuántica no es solo un flujo de partículas, sino un intrincado patrón de espacio y tiempo. Un fotón individual puede estar estirado, comprimido, disperso en diferentes direcciones.

Una mota de polvo de diamante, más pequeña que la centésima parte de un milímetro, brilla en rojo. En su interior hay un defecto del cristal: dos átomos de carbono vecinos, donde falta uno y junto a él se encuentra un átomo de nitrógeno. Ese par atrapa la luz y la devuelve, como un faro diminuto que no se apaga a temperatura ambiente.

Un cristal sin centro de simetría se parece a una escalera cuyos peldaños están todos inclinados hacia el mismo lado: los electrones, al recibir el empujón de la luz, ruedan preferentemente en una dirección. Así nace la corriente continua: el efecto fotovoltaico.

Los algoritmos informáticos diseñan chips ópticos que separan las señales por colores no mediante líneas rectas, sino a través de misteriosos laberintos sinuosos. Estos patrones caóticos, casi orgánicos, funcionan perfectamente, pero hasta ahora nadie sabía qué parte del diseño era realmente importante.

La luz común se dispersa en todas direcciones, pero los físicos la transformaron en algo parecido a una cinta transportadora: un flujo unidireccional que no retrocede. Para lograrlo, hicieron pasar dos haces contrarios a través de una nube de átomos de Rydberg, hinchados hasta el tamaño de una minúscula mota de polvo.

Dos voces en un dúo molecular pueden sonar al unísono o apagarse mutuamente hasta el silencio. En física, ese silencio se llama estado oscuro: una excitación cuántica que no interactúa con la luz y, por lo tanto, vive un tiempo extraordinariamente largo.