semimetal de Weyl

El mundo cuántico está lleno de sorpresas: si intercambias dos electrones, su función de onda conjunta solo cambia de signo, y si intercambias dos fotones, no ocurre nada en absoluto. Pero hay partículas que al intercambiarse se comportan de manera muy distinta: como si recordaran que han sido intercambiadas. Estas partículas se llaman anyones y solo son posibles en el mundo bidimensional.

Dos electrones que salen de la punta de una aguja metálica casi al mismo tiempo comienzan a repelerse, como dos personas que intentan pasar a la vez por una puerta estrecha. Cuanto más cerca están el uno del otro, más se estorban.

Los electrones en un sólido normalmente o corren libremente (metal) o están confinados en su lugar (aislante). Pero a veces la fuerte repulsión mutua los encierra en un estado a medias: las cargas se quedan quietas, mientras que los espines —pequeñas agujas magnéticas— siguen viviendo su propia vida. Esto se llama aislante de Mott.

En el mundo de los materiales bidimensionales a veces nacen estados tan inusuales como frágiles. Uno de ellos — el cristal anómalo fraccionario de Hall (FAHC) — es como un centauro cuántico: mitad red ordenada, mitad líquido topológico.

Un océano que impregna todo el espacio permanece invisible para nosotros. Ese océano es la materia oscura, y las olas en su superficie son partículas llamadas axiones. Son tan ligeros y escurridizos que atraviesan la Tierra sin siquiera notarla.

Un carrusel con dos tipos de asientos: unos giran en el sentido de las agujas del reloj y otros en sentido contrario. Si se empuja todo a la vez, el carrusel se sacude pero permanece en su sitio.

Dos láminas delgadas con celdas hexagonales dibujadas se superponen y se giran ligeramente. Aparece un nuevo patrón: el muaré, parecido a los reflejos de la seda. Algo similar hicieron los electrones en el experimento: se organizaron en dos capas, y una capa quedó girada respecto a la otra exactamente 30 grados.

Una lámina de ditelururo de tungsteno de un átomo de grosor se parece a un papel de aluminio fino: los electrones no la atraviesan porque entre sus estados posibles hay una banda prohibida, como una zanja que no se puede saltar. Añade dos capas más, y la zanja desaparece: el material se vuelve metálico y la corriente fluye.

En el mundo cuántico, los electrones pueden comportarse como ondas. Si se crean condiciones especiales para ellos, estas ondas comienzan a sentir algo parecido a la gravedad. En cristales llamados semimetales de Weyl, los electrones se mueven como si no tuvieran masa y su energía depende de la dirección, como un cono inclinado.

Un suelo de mosaico formado por muchas baldosas pequeñas, giradas en direcciones distintas. Parecería que cualquier patrón que intente atravesar ese suelo debería desordenarse y desaparecer. Así se piensa normalmente del desorden en los cristales: si los átomos no están alineados en una red perfecta, los efectos cuánticos sutiles deberían destruirse.

Bajo un campo magnético intenso, los electrones confinados en una capa delgada a veces se alinean en un patrón regular, como invitados en una fiesta concurrida que encuentran un lugar donde nadie los empuja. Este orden se denomina cristal, aunque no es hielo ni sal, sino los propios electrones inmóviles en sus posiciones.

Una memoria USB común guarda bits en trampas de electrones, pero solo se pueden leer mediante un cable y un amplificador separados. En el nuevo desarrollo, el mismo trozo de semimetal teluro hace las veces de almacén y de bombilla.

El calor y la electricidad suelen ir de la mano, pero lograr que el calor se convierta en corriente no es tarea fácil. El material GdTe3, un cristal laminado con brillo metálico, al enfriarse a 20 kelvin (esto es −253 °C) y en un fuerte campo magnético de 13,5 teslas mostró algo inesperado: su capacidad para generar electricidad a partir del calor se…

Una cesta tejida con mimbre mantiene su forma gracias al entrelazado. Un patrón similar —triángulos unidos en una red plana— se ha descubierto en un nuevo cristal con fórmula Cs₃V₉Te₁₃. Aquí, los átomos de vanadio forman dos conjuntos de triángulos que se atraviesan mutuamente, como hilos en una tela.

Lanza una piedra a un estanque: las ondas se expanden uniformemente y se desvanecen. Las ondas gravitacionales nacidas de la fusión de agujeros negros se comportan de otra manera: incluso después del paso de la onda principal, queda una 'cola' débil.

Un metal es un mar de electrones que se mueven casi libremente y chocan solo de vez en cuando. Pero en algunos materiales, ese mar se vuelve de repente viscoso e impredecible: los electrones dejan de comportarse como partículas independientes. Los físicos llaman a este estado 'no fermi-líquido', y sigue siendo un misterio.

En cristales bidimensionales, los electrones y los huecos (espacios vacíos con carga positiva) se atraen, formando pares llamados excitones.

Un tirón brusco de un cordón retorcido envía una onda espiral a lo largo de él. Así, un destello láser ultracorto en el cristal RhSi genera luz instantáneamente retorcida en un sacacorchos tridimensional.

Si se calienta un extremo de un conductor y se deja el otro frío, los electrones comienzan a fluir del extremo caliente al frío. Normalmente, esto genera un voltaje a lo largo del conductor, como el agua que fluye por un canal inclinado. Pero en algunos materiales, los electrones se desvían lateralmente y el voltaje aparece a través del conductor.

El núcleo de un átomo suele tener una forma definida: alargada como un melón o achatada como una calabaza. Pero el silicio-30 se comporta de otra manera: parece no poder decidir cómo ser.

Una lámina plana de material de un átomo de espesor puede conducir corriente solo por sus bordes, como el agua que fluye a lo largo de los bordes de una bandeja y no por el centro. En un nuevo trabajo, los físicos han demostrado que estos "cauces" de borde se pueden reconfigurar simplemente girando un eje magnético invisible dentro de la lámina.

Un material de un solo átomo de espesor y una pureza récord –apenas un átomo extraño por millón– se convierte en escenario de un fenómeno sorprendente. Al enfriarlo casi hasta el cero absoluto, los electrones en su interior, como los músicos de una orquesta, se quedan quietos en un orden estricto, formando un cristal.

Los electrones en un conductor normalmente se comportan como un gas: se mueven caóticamente, chocan entre sí y no mantienen ningún orden. Pero si se los separa lo suficiente y se enfrían mucho, la repulsión mutua puede hacer que se coloquen en sus puestos, como los asistentes a un teatro lleno que se sientan dejando un asiento vacío entre ellos.