unión túnel

Una carretera no se construye derribando las casas vecinas: primero se extiende el asfalto y luego se pule el exceso, dejando una calzada lisa. Algo parecido han hecho los físicos de Heidelberg al abordar la fabricación de contactos de Josephson, unos diminutos sándwiches de superconductor y aislante por los que la corriente fluye sin resistencia.

La unión de Josephson es un puente de superconductor separado por una capa aislante muy delgada. A través de ella fluye corriente incluso sin voltaje. Pero cuando la corriente se vuelve demasiado grande, el puente comienza a oscilar y en la gráfica del voltaje aparecen escalones regulares: los escalones de Shapiro.

Gota a gota desde un grifo, o un chorro uniforme sin una sola salpicadura. Así se ven aproximadamente los dos regímenes de corriente en un contacto superconductor. Solo que el papel del agua lo desempeñan los pares de Cooper: electrones enlazados que se mueven sin resistencia.

En el anillo de 21 kilómetros de Protvino, en las afueras de Moscú, se planeó alguna vez acelerar protones. Hoy, ese mismo túnel podría albergar una máquina muy diferente: un colisionador de muones. El muón es un pariente pesado del electrón, y ahí reside su fuerza.

El libro está abierto por la mitad. Por el lomo corre la corriente, y las páginas permanecen frías. Así funciona un aislante topológico bidimensional: un material donde la electricidad fluye solo por los bordes, mientras el interior permanece inmóvil.

Todo comienza con una cicatriz diminuta: un túnel delgado que conecta dos universos. En cosmología cuántica se discute desde hace tiempo que nuestro universo cerrado pudo nacer de la «nada» mediante tunelización (es decir, cuando un sistema atraviesa una barrera insuperable según las medidas ordinarias).

El clásico paradoja de Mpemba — el agua caliente se congela más rápido que la fría — ha intrigado a los científicos durante siglos. Recientemente, la mecánica estadística de no equilibrio explicó que todo depende de las condiciones de frontera; el sistema parece buscar una excusa para «chocar contra la pared» y acelerar el enfriamiento.

El tunelamiento cuántico — la capacidad de las partículas de atravesar barreras prohibidas por la física clásica — alimenta las estrellas con fusión termonuclear, enciende la nucleosíntesis primordial y nos da la memoria flash.

En las montañas hay una silla de montar: el punto donde el sendero de un valle pasa al otro. Si te colocas justo en ella, das un paso y ya estás bajando por la nueva ladera. En química, ese lugar se llama estado de transición: un instante brevísimo en el que los átomos se detienen en el umbral de la transformación.

Un columpio puede balancearse con fuerza o apenas perceptiblemente. Por lo general, si no lo tocas, permanece en el modo elegido. Pero en el micromundo todo es diferente: una membrana diminuta que oscila bajo la acción de un rayo láser puede saltar espontáneamente de una amplitud a otra.

El átomo es como un director, y la luz en el resonador, una orquesta. El intercambio de energía entre ellos, conocido como interacción Jaynes-Cummings (parte del Modelo Estándar), permite que el átomo, con movimientos de 'batuta', cambie el ritmo y el timbre de las oscilaciones.

Un diminuto imán flota en una trampa magnética, como una aguja ingrávida. Su eje magnetizado es como la aguja obstinada de una brújula a la que no le permiten girar. Ante él se alza una pared invisible.

La nada cuántica se asemeja al agua en una olla justo antes de hervir. De vez en cuando, surge espontáneamente una burbuja, pero no de vapor, sino de un universo entero. Esta burbuja no colapsa, sino que se expande en el espacio-tiempo, desencadenando su propio Big Bang. La cuestión es con qué frecuencia ocurre esto.

Una piedra cae en un estanque y las ondas se expanden por el agua. Pero si la piedra es muy pequeña y el agua no es del todo común, las ondas la atraviesan sin siquiera darse cuenta. Algo así ocurre con las vibraciones sonoras en el helio superfluido: a energías extremadamente bajas, se filtran a través de los obstáculos como si no existieran.

Un puente de aluminio de unas pocas capas atómicas de espesor es el corazón de muchos dispositivos cuánticos. A través de este puente, la corriente fluye sin resistencia y se puede controlar con un campo magnético.

Las partículas cuánticas pueden atravesar obstáculos, como una pelota que de repente aparece dentro de una colina y sale por el otro lado. Este efecto túnel fue explicado por George Gamow al descifrar cómo las partículas abandonan el núcleo atómico.

Una memoria USB normal en el bolsillo se calienta incluso cuando está simplemente guardada. Ahora imagina una memoria que en el frío casi no gasta nada, como un termo que no se enfría. El superconductor a la temperatura del helio líquido conduce la corriente sin pérdidas, pero no podía almacenar datos. La nueva celda cambia eso.

Una pinza óptica es un haz láser que mantiene un átomo en un punto, como los dedos sostienen un guisante. Con estas pinzas se construyen redes enteras de átomos, la base de las futuras computadoras cuánticas. Pero hay un problema: no en cada pinza cae un átomo.

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.

La fusión nuclear, la unión de un protón con un núcleo de boro-11, promete una fuente de energía casi ideal: sin flujo de neutrones peligrosos, solo un flujo de partículas cargadas que se puede convertir directamente en corriente eléctrica.

Un río fluye hacia un remolino, pero en el camino se encuentra con un dique que tiene una ranura. La mayor parte del agua se acumula frente al dique, pero una parte, tras ganar altura, lo sobrevuela y cae directamente en el embudo. Así ocurre con el gas en una galaxia: desciende hacia el centro, pero choca con un anillo de estrellas y gas, que actúa como un dique.

Los circuitos superconductores suelen construirse sobre uniones Josephson, lugares donde la corriente fluye sin resistencia a través de una barrera delgada. Normalmente, esa barrera es una capa de óxido, pero sus propiedades son difíciles de controlar a escala nanométrica.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor es como un mantel perfectamente liso sobre el que ruedan bolitas electrónicas. Coloca una barrera eléctrica en el camino de esas bolitas y, normalmente, rebotarán hacia atrás.

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 cúbit superconductor común se parece a un columpio que cualquier ráfaga de viento hace oscilar. El más mínimo cambio en la carga eléctrica cercana y el estado cuántico ya está arruinado.

Un diodo semiconductor normalmente conduce la corriente en una sola dirección, como una puerta con resorte: en un sentido se abre fácilmente, en el otro se atasca. Pero si se satura el cristal con impurezas, la puerta empieza a comportarse de manera extraña: con voltaje inverso, la corriente no solo fluye, sino que se dispara.

Un canal iónico en la membrana celular es una puerta de unos pocos átomos de ancho. Cada segundo pasan por él millones de partículas cargadas: iones de sodio y potasio. La física clásica decía que, para atravesarlo, el ion debe saltar una barrera energética, como un viajero que cruza un alto puerto de montaña.

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 electrones en un conductor se comportan como una multitud en una escalera mecánica: cada uno por su cuenta, pero juntos crean un flujo. Si los hacemos girar en un anillo, su momento angular (una medida de la rotación) puede acoplarse al campo magnético, como engranajes en un reloj.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe tocar estrictamente su nota. Pero en la sala hay ruidos invisibles: defectos en los contactos superconductores que sacan a los cúbits del ritmo. Estos defectos se llaman sistemas de dos niveles. Son como grietas en el vidrio: pequeñas, pero capaces de arruinar todo el panorama.

En los circuitos superconductores con los que se construyen las computadoras cuánticas, de vez en cuando nacen partículas extra: las cuasipartículas. Son como transeúntes aleatorios que irrumpen en el trabajo del procesador y estropean los cálculos.

Un superconductor es un material donde la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si aparecen vórtices, la corriente empieza a 'tropezar' con esos pequeños remolinos. En el grafeno retorcido en un ángulo especial, se pueden crear y estudiar estos vórtices uno a uno.

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.

El sonido en una placa delgada se comporta como las ondas en el agua: avanza, se refleja en los bordes, cambia de forma. Pero el sonido tiene una rareza: es capaz de atravesar lugares donde la onda tiene prohibido existir. Es como si las ondas de un estanque desaparecieran de repente ante una barrera de piedra y reaparecieran al otro lado, sin rodearla.

Cinco átomos de calcio cargados flotan en una trampa, sostenidos por campos eléctricos. El enfriamiento por láser les quita el exceso de energía y se alinean formando una diminuta pirámide de base cuadrada. Pero esta pirámide no permanece estática: de vez en cuando se voltea, como si alguien la lanzara al aire y la atrapara boca abajo.

Un bit cuántico es como un diapasón que vibra a su propia frecuencia. Para conocer su estado, se coloca cerca un micrófono-resonador. Normalmente, el diapasón y el micrófono se conectan mediante un muelle-condensador: el sonido se transmite, pero el diapasón empieza a vibrar por ruidos externos y puede desajustarse.

En el mundo cuántico, las partículas pueden atravesar paredes: eso es el efecto túnel cuántico. Si colocamos un detector justo en el camino de ese paso "fantasmal", la detección actúa como un pistoletazo de salida: la partícula recibe un fuerte empujón y sale de la barrera con un exceso de energía, convirtiéndose en un diminuto motor.

Una diminuta punta de tungsteno con un radio inferior a cien nanómetros es el escenario ideal para observar el espectáculo cuántico. Basta con aplicar un campo eléctrico de unos pocos voltios por nanómetro para que los electrones empiecen a salir del metal: se produce la emisión de campo.