transporte topológico

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.

En una nube ultrafría de átomos, enfriada casi hasta el cero absoluto, aparecen regiones con diferente orientación de espín, como zonas con distinta magnetización. Los límites entre ellas se denominan paredes de dominio. Normalmente están inmóviles, pero en este experimento las paredes se pusieron en movimiento por sí solas.

¿Por qué algunos sistemas —desde las redes genéticas hasta el transporte aéreo— conservan las huellas del pasado más tiempo que otros? Durante mucho tiempo, la ciencia de redes culpó a la topología: número de conexiones, modularidad, espectro. Pero dos redes con el mismo esqueleto pueden recordar y olvidar de manera completamente diferente.

En el corazón del motor warp está la idea de Einstein de que los cuerpos masivos curvan el espacio-tiempo — el propio escenario donde ocurren todos los eventos cósmicos. Imagina una burbuja de ese espacio-tiempo curvado.

Una piedra lanzada vuela en un arco suave: su trayectoria es fácil de predecir. Pero si la piedra rebota en el agua, la trayectoria se vuelve quebrada y mucho más interesante. Algo similar ocurre con las partículas cuánticas cuando su estado no es una onda tranquila con energía fija, sino una mezcla turbulenta de varias ondas a la vez.

Una sábana bien tensa reposa sobre la mesa durante varios días. En apariencia está inmóvil, pero en las fibras de la tela se conserva la tensión: basta con aflojar un poco un extremo y las arrugas correrán, reordenando todo el patrón. De manera muy similar se comporta una capa de células epiteliales en estado de reposo.

Desde tiempos inmemoriales, los físicos sueñan con túneles que atraviesan el cosmos: agujeros de gusano capaces de conectar rincones lejanos del Universo en instantes.

Al exprimir el kétchup de la botella, luchas contra su terquedad: primero se queda quieto, luego sale disparado de golpe. Es un carácter no newtoniano típico: la resistencia al flujo cambia según la fuerza con la que aprietas. Pero los autores del nuevo estudio han encontrado la manera de eliminar casi por completo esa resistencia.

Una piedra cae en un estanque y por el agua se expanden círculos. Rebotan en la orilla, se superponen, se apagan. Todo ese movimiento se despliega en el espacio. Pero, ¿qué ocurriría si el propio estanque cambiara por un instante su profundidad o densidad, no en un punto, sino en todas partes a la vez?

En una cacerola con sopa hirviendo, las corrientes turbulentas llevan el calor hacia las paredes y la sopa se enfría. En un tokamak — una enorme botella magnética para el plasma — ocurre lo mismo: los remolinos de turbulencia arrastran la energía hacia afuera, impidiendo encender la reacción de fusión.

Dentro de cada neurona hay un canal largo y delgado: el axón, por el que la señal viaja desde el cuerpo de la célula hasta otras células. Para que el canal funcione, las mitocondrias, unos orgánulos diminutos que producen energía, circulan constantemente por él. Se mueven en ambas direcciones, como coches en una carretera estrecha.

Una diminuta gota de aceite se abre paso a través de un canal acuoso más estrecho que ella misma. En agua limpia avanza con calma, como una esferita redonda. Pero añade un poco de jabón al agua y la gota empieza a curvarse, como una oruga.

Sobre una estrella de neutrones —el residuo superdenso de una estrella que explotó— cae gas. Este gas se acumula en los polos magnéticos y forma una montaña. Pero una montaña en una estrella de neutrones no se parece a una terrestre: no la sostiene la roca, sino las líneas de fuerza del campo magnético, como limaduras de hierro sobre un imán.

Los vasos linfáticos son calles de una sola dirección. Por ellos, el líquido fluye solo hacia adelante gracias a diminutas compuertas en forma de pétalos. Estas válvulas se abren únicamente en un sentido, generando una asimetría, una direccionalidad, sin la cual el flujo se detendría.

Una pinza láser es un haz de luz que atrapa y mueve objetos diminutos, como bacterias o motas de polvo. Si hay que llevar una partícula del punto A al punto B, se podría tirar de ella directamente. Pero eso gastaría más energía que una ruta ingeniosa con rodeos. Una partícula activa es un objeto microscópico que se impulsa a sí mismo, como un nadador diminuto.

En el cristal de un metal, los átomos se alinean en filas ordenadas, como ladrillos en una pared. Pero si se arranca un ladrillo, queda un hueco: lo que llamamos vacancia. Bajo irradiación, estos huecos se multiplican, comienzan a fusionarse en grandes cavidades y el metal pierde resistencia.

Los polímeros son largos filamentos de átomos de carbono e hidrógeno. En las células vivas, se encuentran con flujos de señales químicas que pulsan como el oleaje. Las cadenas largas y los anillos cerrados se comportan como hábiles surfistas: atrapan la ola y se deslizan con ella.

Una puerta común se puede abrir en ambos sentidos, pero los físicos construyeron para los átomos una en la que está permitido entrar, pero no salir. Enfriaron los átomos casi hasta el cero absoluto: con ese frío extremo, se fusionan en una sola nube. Colocaron esta nube en una red ordenada de rayos láser, añadiendo una pequeña irregularidad, como un escalón en el umbral.

Un cable delgado hecho de un material especial, un aislante topológico, se comporta como una calle de ciudad: por dentro está vacío y todo el tráfico circula por los bordes. Los electrones en ese cable se mueven solo por la superficie, como peatones por la acera sin pisar la calzada.

El agua en una manguera circular impulsada por una bomba no se detendrá incluso si se pinza un tramo: el flujo encontrará un camino alternativo y seguirá corriendo en círculo. Así están organizadas algunas partes de nuestro sistema circulatorio, no como tubos individuales, sino como bucles cerrados.

En un tokamak, el plasma es como una multitud en una calle estrecha: basta con que alguien corra para que todos se lancen a la vez. En un stellarator con sección no circular, la calle es sinuosa, con callejones sin salida y bolsas. La multitud no puede formar una sola ola: la gente se queda atrapada en diferentes rincones.

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.

Una multitud en una estación de metro se mueve más lenta que los individuos: cada uno estorba al vecino. Algo parecido ocurre en una nube densa de átomos magnéticos que se transfieren energía entre sí. Antes se pensaba que la velocidad de transferencia dependía solo de las propiedades de los propios átomos.

En los materiales desordenados —por ejemplo, en los semiconductores orgánicos o en las tintas hechas de materiales bidimensionales— los electrones no se mueven de manera uniforme, como el agua por una tubería. Saltan de un lugar a otro, como una pelota que rebota sobre una superficie irregular. Este movimiento se denomina transporte por saltos.

El parapente, el ala delta y el planeador son tres alas diferentes, pero en el cielo se comportan igual. Los pilotos captan corrientes térmicas invisibles, ascienden con ellas y luego planean hacia la siguiente. Este vuelo se parece al juego de la rayuela: un salto hacia arriba, luego un deslizamiento hacia adelante, y de nuevo a buscar un lugar para saltar.