estado triplete

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.

El cristal PbCuTe₂O₆ se asemeja a una telaraña tridimensional de cobre, telurio y oxígeno. En su interior, los momentos magnéticos (pequeñas flechas asociadas a los espines de los electrones) están entrelazados de tal manera que no pueden alinearse en un orden convencional ni siquiera cerca del cero absoluto.

Una fina hebra de plata, casi tan larga como el grosor de un cabello, y en ella habitan leyes cuánticas puras. Los físicos construyeron un conductor donde los electrones solo pueden moverse hacia adelante o hacia atrás, como en una carretera perfectamente recta de un solo carril y sin arcenes.

Siete bailarines salen al escenario. Se toman de las manos de modo que cualquier trío o cuarteto se mueve en perfecta armonía con los demás: ningún grupo se sale del ritmo general. En el mundo cuántico, esto se denomina estado absolutamente máximamente entrelazado (AME, por sus siglas en inglés). Es un nudo perfecto donde cada parte lo sabe todo sobre el todo.

Un campo magnético de 42 teslas, aproximadamente un millón de veces más fuerte que el campo terrestre. En ese campo, el cristal SrCu₂(BO₃)₂ se comporta de manera inusual: su magnetización no crece suavemente, sino a saltos, deteniéndose en ciertos valores.

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.

La luz incide sobre una molécula orgánica y en su interior nace un par de excitaciones gemelas. Se las llama pares tripletes. En moléculas individuales de pentaceno, estos pares saben compartir su energía con los vecinos desde hace tiempo: es la base de la fisión de singlete, que aumenta la eficiencia de las células solares.

El núcleo de carbono se representó durante mucho tiempo como una esfera homogénea de protones y neutrones, uniformemente mezclados como una masa. Pero el físico George Gamow sospechaba algo distinto: las partículas en su interior podrían agruparse en diminutos bloques muy compactos, los núcleos de helio, o partículas alfa.

Cuando un electrón y su antipartícula —el positrón, predicho por Dirac— se encuentran, forman fugazmente un positronio: un minúsculo par que orbita uno alrededor del otro, como en un átomo pero sin núcleo. Casi de inmediato se desintegra, emitiendo dos fotones que quedan misteriosamente vinculados.

Los neutrinos son verdaderos fantasmas del microcosmos. Casi sin masa y sin carga, atraviesan los planetas como si fueran vacío. Pero dentro de cada neutrino no se esconde una partícula, sino tres: tres 'sabores' (electrónico, muónico y tau) que fluyen constantemente uno en otro. Esta danza se llama oscilación.

Tres bailarines se mueven como un solo ente: cada uno siente a los demás, y la armonía global no se reduce a las interacciones individuales. Así se comportan aproximadamente tres partículas creadas en el choque de un electrón y un positrón a la velocidad de la luz. Son el quark top, su antipartícula y el bosón Z.

El agua caliente a veces se congela antes que la fría: es el efecto Mpemba. En el mundo cuántico se observa una paradoja similar: cuanto más se altera el equilibrio, más rápido se restablece.

Una larga cadena de átomos, y cada uno es un diminuto imán. Se comunican entre sí y con el campo externo, como músicos en una orquesta que escuchan tanto al director como a sus compañeros. Cuando el campo externo cambia, la orquesta o toca desafinada o todos los instrumentos entran sincronizados: eso es una transición de fase cuántica.

Un superconductor conduce la corriente sin resistencia, como agua que fluye por una tubería sin fricción. El secreto está en los pares de electrones: dos electrones se unen como una sola entidad, aunque normalmente se repelen. En un superconductor ordinario, los espines de los electrones en un par apuntan en direcciones opuestas: es el estado singlete.

Dos agujeros negros chocan de frente a gran velocidad, mientras un tercero orbita cerca. En la vida cotidiana, un accidente así generaría una ráfaga de ondas gravitacionales (ondulaciones en el espacio, como las que produce una piedra al caer en un estanque).

Una orquesta donde cada músico toca su propia parte y juntos crean una melodía compleja: así se ve una nube de átomos cuyos espines (rotaciones intrínsecas, como diminutas peonzas) oscilan de manera coordinada. Normalmente, estas peonzas se comportan de forma independiente.

Dos fotones entrelazados se separan en direcciones opuestas, pero siguen comportándose como un todo: la medición de uno determina instantáneamente el estado del otro. Esto es el entrelazamiento cuántico. Sin embargo, a veces se parece a un espía experimentado: no deja rastros visibles en una inspección ordinaria.

Las redes cuánticas necesitan un intermediario entre el almacenamiento — el espín — y el portador — la luz. Ninguna molécula individual había logrado esa tarea. Pero ahora los físicos han encontrado una solución. Colocaron una molécula de carbeno en un cristal y lo enfriaron a -269 °C.

Bajo la luz solar, las moléculas de la bacteria, como las varillas de una batidora de cocina, capturan energía y hacen girar los electrones en la dirección adecuada. Pero a veces el giro se descontrola y aparecen partículas tripletes «atascadas». Es como si la varilla se detuviera un instante y girara en sentido contrario, salpicando algo caliente y quemando las paredes.

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.

En el silencio del cosmos, el tejido del espacio-tiempo tiembla de manera casi imperceptible: es un susurro cuántico de escala 10⁻³⁵ m, hasta ahora considerado fundamentalmente indetectable. Pero las colisiones de agujeros negros pueden convertirlo en un grito ensordecedor.

Dos puntos cuánticos son como dos diminutos bolsillos en un trozo de silicio, donde un electrón puede sentarse como una canica en un hoyo. Cuando los bolsillos están lejos uno del otro, cada electrón vive por su cuenta y su energía se asemeja a los niveles de un átomo aislado.

El mundo cuántico ama el orden, pero la realidad a menudo introduce desorden. En este trabajo, los físicos estudian cadenas unidimensionales de espines: pequeñas flechas magnéticas que pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo.

Un electrón en un cable ordinario es como un mensajero que lleva a la vez el paquete y la firma del destinatario: su carga y su espín siempre van juntos. Pero si el cable se hace tan delgado como un solo átomo, el mensajero se siente apretado.

En un líquido de espín, los átomos imán no se congelan: sus agujas magnéticas parpadean constantemente, pero de forma coordinada. Si esta danza se tuerce en una dirección, surge un líquido de espín quiral, un vórtice cuántico estable.

Un punto cuántico es como una pequeña isla donde pueden instalarse uno o varios electrones. En este nuevo trabajo, esa isla se conectó a dos 'mares' de electrones: uno plano como una tortita y otro tridimensional como un océano. Los electrones pueden saltar de la isla a los mares y viceversa, y ese salto depende de la forma de la onda del electrón en la isla.

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.

Una gota de agua sobre la mesa parece tranquila, pero en su interior bulle una vida cuántica. Los protones de los átomos de hidrógeno son como pequeñas peonzas que giran sin cesar. Cada uno tiene su propia dirección de giro. En un campo magnético, estas peonzas se alinean, y si el campo comienza a oscilar, empiezan a 'bailar'.

Los átomos magnéticos en un sólido se parecen a las agujas de una brújula: normalmente, al enfriarse, se alinean en una misma dirección, y así surge el magnetismo. Pero en el material TbInO3, las agujas de terbio se asientan en una red triangular donde es imposible complacer a todos los vecinos a la vez.

Una computadora cuántica basada en espines de electrones se parece a una fila de diminutas peonzas. Cada peonza gira en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario: eso es un cubit. Para conocer el resultado del cálculo, normalmente se detiene la peonza y se observa hacia dónde ha caído.

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.

En dos salas de espejos perpendiculares entre sí vive una nube de átomos. Cada átomo es como un cantante en un coro: por sí solo puede permanecer en silencio, pero cuando los vecinos comienzan a cantar, él se une.

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.

En una oblea de silicio, parecida a un barrio residencial, los cúbits —electrones con espín— viven en «casas» separadas. Antes, los vecinos solo se comunicaban a través de la valla, pero ahora han construido una carretera entre ellos: por ella, un cúbit viaja a cualquiera de las cuatro paradas.

Una campana no suena con una sola nota: tras el golpe, resuenan varias armónicas a la vez. Algo parecido ocurre con el núcleo atómico: después de una colisión, puede vibrar, y esas vibraciones se detectan en los rayos gamma emitidos. Pero en el núcleo de niobio-104, con 41 protones y 63 neutrones, las armónicas resultaron ser más de las esperadas.

Los átomos en un cristal normalmente ocupan sus lugares, como pasajeros en un avión con sus billetes asignados. Pero en este material, el cobre y el tantalio ocuparon sus lugares al azar, como si los billetes se hubieran mezclado. Los científicos examinaron el cristal con rayos X y vieron que el desorden no está solo sobre el papel, sino en la propia disposición de los átomos.

Una brújula magnética en un tubo de ensayo suena a truco de magia, pero es física pura. En una solución de fumarato (una sal del ácido málico), los núcleos de carbono-13 se comportan como pequeñas peonzas.

En un acelerador chocan dos partículas de Higgs. Por un instante brevísimo, sus destinos se entrelazan y luego se separan, llevando consigo la información del encuentro.

Un pequeño diamante con defectos —átomos de nitrógeno que ocupan el lugar del carbono— esconde una característica inusual. Alrededor de cada defecto gira un electrón extra, como una peonza que se puede inclinar con pulsos de radio.