superconductividad topológica

En un superconductor, donde los electrones se mueven en pares sin resistencia, pueden correr ondas especiales por los bordes, como ondas a lo largo del borde de una alfombra. El número de estas ondas es una característica importante del material, pero medirlo directamente es difícil.

El grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, puede cambiar sus propiedades magnéticas como el agua cambia de forma: ora fluye, ora se congela en hielo. En el nuevo trabajo, los físicos han mirado por primera vez dentro de este proceso con un sensor del tamaño de la punta de una aguja.

Un superconductor es como un cable perfecto: la corriente fluye sin pérdidas. Claro que para lograrlo hay que enfriarlo mucho. Los físicos llevan tiempo buscando materiales que se vuelvan superconductores a temperaturas más altas. Una vía es no esperar favores de la naturaleza, sino construir el material uno mismo, capa por capa, como con un juego de construcción.

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.

Un mosaico de cuadrados y triángulos cubre el suelo sin dejar huecos, pero no forma un patrón repetitivo simple. Tal diseño es un cuasicristal, un sólido donde los átomos no se colocan periódicamente, sino siguiendo un patrón de varias ondas de distinta longitud. Estas ondas son inconmensurables entre sí y juntas crean un orden de largo alcance.

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.

Después del Big Bang, según la cosmología inflacionaria, el Universo experimentó una rápida expansión y una serie de transiciones de fase.

Un superconductor normalmente no se lleva bien con un imán: un campo intenso destruye el estado en el que la corriente fluye sin resistencia. Pero en capas delgadas de carbono, todo es diferente.

La creación de un ordenador cuántico capaz de resolver problemas inaccesibles para las máquinas clásicas requiere qubits fiables. Una de las ideas más elegantes es usar como qubits los modos cero de Majorana: excitaciones fantasmales que recuerdan sus caminos entrelazados y no se perturban por el ruido térmico.

Una película magnética delgada se asemeja a una fila de soldaditos con pequeñas agujas magnéticas. En el mundo plano, los golpes térmicos desordenan rápidamente esa fila: el más mínimo calentamiento destruye el orden. Así funciona el teorema de Mermin-Wagner: en dos dimensiones, una simetría continua no sobrevive a temperatura finita.

Un nanocable superconductor topológico es como un puente, en cuyos extremos vigilan dos guardianes inseparables, los modos de Majorana. Estas exóticas cuasipartículas, predichas ya en los años 1930, prometen ser la base de un ordenador cuántico inmune a errores.

Una lámina de goma se comprime por dos lados. A primera vista, es una deformación ordinaria. Pero en el interior, en la profundidad del material, se despierta un orden oculto. No son solo arrugas en la superficie. Es el nacimiento de zonas especiales donde las vibraciones quedan atrapadas, como en una trampa. Antes se pensaba que tales efectos requerían intrincadas redes y estructuras periódicas.

En una piscina, el agua suele esparcirse en círculos desde la piedra que se lanza. Pero si se dirige el flujo estrictamente a lo largo del borde, el agua corre solo por el borde. Algo parecido se ha observado en trozos del cristal superconductor FeTe0.55Se0.45.

Buscas una habitación silenciosa para una conversación importante. Entras en el lugar y escuchas silencio. Pero al fijarte bien, resulta que en una esquina simplemente está rota la ventilación, y en la otra hay un hueco en el suelo que absorbe el sonido.

Una sartén larga y estrecha hace que un panqueque fino se congele en franjas irregulares. Durante décadas, los científicos vieron un panorama similar al modelar el comportamiento de los electrones en superconductores, materiales que conducen corriente sin pérdidas.

El intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y la reunión de una hora se convierte en dos. Así funciona aproximadamente la mecánica cuántica ordinaria: la partícula evoluciona en el tiempo, y el espacio sirve de escenario. Pero, ¿y si intercambiamos sus papeles? Entonces la partícula "camina" por el espacio, y el tiempo se convierte en un fondo inmóvil.

Un cristal es como una formación de soldados en la plaza: cada átomo en su lugar y los electrones marchan en ondas regulares. Un material amorfo es como una multitud en una estación de tren, donde no hay ningún orden, solo un amontonamiento. En esa multitud, un electrón normalmente se atasca rápido, como una persona que intenta abrirse paso entre una masa densa de gente.

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.

Tira una docena de monedas sobre la mesa. Las combinaciones de caras y cruces son poco más de mil. Con dos docenas de monedas, ya son un millón. El número crece como 2 elevado a la cantidad de monedas, y eso es rápido. Pero los sistemas cuánticos son mucho más ricos. Aquí cada partícula no es una moneda con dos caras, sino una flecha que puede apuntar en cualquier dirección.

Una fila de personas que se dan la mano pero miran en direcciones opuestas: unas hacia el norte, otras hacia el sur. Así es un imán de onda p. En él, los electrones alinean sus momentos magnéticos (espines) no al azar, sino siguiendo un estricto patrón ondulatorio.

Una gota de tinta cae en un vaso de agua y, al cabo de un minuto, ya no se puede decir dónde cayó exactamente. En el mundo cuántico es aún más dramático: la información sobre un evento local se dispersa por todo el sistema tan rápido que cualquier sensor puntual deja de sentir algo pronto. Esto se llama deslocalización, y para los sensores cuánticos suena a sentencia.

Las capas de un material delgado, giradas una respecto a la otra, recuerdan a dos rejillas superpuestas. En los puntos donde se cruzan las líneas surge un nuevo patrón: el moiré. En este patrón, los electrones se mueven de manera diferente a como lo hacen en un cristal ordinario y pueden formar estados inesperados.

Una tela que se estira solo a lo largo, pero no a lo ancho. Así es aproximadamente un material semidirácico: en él, los electrones pueden moverse libremente en una dirección, mientras que en la otra apenas se desplazan. Debido a esta anisotropía inusual, en los bordes del cristal bidimensional aparecen caminos especiales: canales unidimensionales.

Las mediciones magnéticas ordinarias solo ven la superficie del superconductor, donde interfieren barreras y flujos viscosos del campo magnético. En el interior, en el llamado estado intermedio, coexisten dominios superconductores y normales separados por paredes delgadas. Estas paredes pueden oscilar, pero era difícil escucharlas directamente.

Entre los imanes hay maestros silenciosos de la transformación. Un imán común atrae clips y tiene dos polos: norte y sur. Pero hay materiales que por dentro están dispuestos como un tablero de ajedrez magnético: sus átomos se alinean en un orden estricto, pero por fuera el material se comporta de manera neutra, como si el imán no existiera. A estos materiales se les llama altermagnetos.

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.

Un superconductor es como una ciudad donde la corriente eléctrica fluye sin semáforos ni atascos. Pero el cristal UTe2 tiene una particularidad: su superficie sigue reglas distintas a las del interior. En los átomos de telurio que se encuentran en la superficie, los electrones han encontrado una "escapatoria": estados con energías que dentro del cristal están prohibidas.

Dos coches idénticos salen de la misma cadena de montaje. Carrocería, ruedas, volante: todo coincide. Solo que uno lleva un motor de gasolina normal y el otro uno híbrido que se puede ajustar a la carretera. Y el híbrido se cala a los pocos kilómetros, mientras que el de gasolina recorre decenas.

Según teorías que van más allá del Modelo Estándar, en los primeros instantes tras el Big Bang surgían pares de monopolos magnéticos — partículas con un único polo magnético. Estos quedaban en los extremos de una cuerda cósmica: un filamento de energía pura.

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.

En una película delgada de superconductor, de vez en cuando aparecen picos de corriente eléctrica. Parecen huellas dactilares, pero no está claro de quién son. Unas las dejan partículas misteriosas que podrían ser la base de una computadora cuántica confiable. Otras son simplemente irregularidades del material, señales vacías.

Un superconductor es un material que, a muy baja temperatura, conduce la electricidad sin pérdidas: los electrones se mueven sin chocar entre sí, como una multitud que camina por un pasillo perfectamente liso.

La luz normalmente viaja en línea recta, como el haz de una linterna. Pero se puede retorcer, como el agua en un remolino, y entonces aparece un vórtice en el haz. Esta luz retorcida puede transportar más datos: los diferentes vórtices no interfieren entre sí, como los distintos canales de radio. El problema era hacer una fuente de esta luz lo suficientemente pequeña para un chip.

El helio líquido, enfriado casi hasta el cero absoluto, se comporta como dos fluidos a la vez: una parte viscosa ordinaria y una parte superfluida que fluye sin fricción. Cuando esa corriente choca con un cilindro, nacen vórtices detrás de él.

En un superconductor, los electrones se mueven en pares, como parejas de baile. Normalmente, a través de un contacto entre dos superconductores pasa un par a la vez. Pero si se añade un tercer contacto, el baile se complica: dos pares pueden moverse juntos, formando un cuarteto.

Un cable ordinario a altas frecuencias se parece a una carretera llena de baches: la señal salta y parte de la energía se convierte en calor. Una cadena superconductora de aluminio y arseniuro de indio (un semiconductor) resulta ser una autopista lisa para las microondas.

En el corazón de un superconductor, los electrones se fusionan en pares de Cooper y se mueven sin resistencia. Pero si en ese orden perfecto surge un vórtice, una diminuta región donde la superconductividad desaparece, aparecen allí excitaciones especiales: las cuasipartículas de Bogoliubov.

Las fases topológicas suelen esconderse en criostatos. Los circuitos superconductores, los átomos ultrafríos, los pulsos láser: todos protegen el orden cuántico del ruido térmico.