Niels Bohr

La luz golpea una placa metálica y de ella salen electrones. Eso es el efecto fotoeléctrico, y solo funciona si la luz tiene energía suficiente para superar el umbral que mantiene a los electrones dentro.

La carga electrónica es como una planta rodante que cambia de campamento según la energía. En el cristal de diseleniuro de wolframio (WSe₂) esto se ve con total claridad: a un voltaje de −1.4 V, cercano al punto K de la zona de Brillouin, los máximos de corriente túnel aparecen en los centros de los hexágonos, donde no hay átomos.

Niels Bohr insistía: no se puede saber simultáneamente por qué camino pasó un fotón y ver la interferencia. Durante mucho tiempo esto se consideró una limitación del conocimiento — se creía que simplemente no podemos obtener ambos tipos de información a la vez.

Un aislante ordinario no conduce corriente ni en el interior ni en los bordes. Un aislante topológico es otra cosa: por dentro sigue siendo aislante, pero por los bordes deja pasar corriente eléctrica sin pérdidas.

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

En 1976, Gerard 't Hooft observó que el vacío de una teoría de gauge no es tan sencillo como parece: posee una estructura topológica que se manifiesta en una susceptibilidad topológica no nula.

Un nuevo material magnético está estructurado como una pila de tortitas: en cada capa todas las «flechas» atómicas apuntan en la misma dirección, pero la capa vecina está magnetizada en la dirección opuesta. El patrón de triángulos —la red kagome— está distorsionado porque algunos átomos se sustituyeron por pesas de germanio.

La partícula cuántica —habitante del mundo de las partículas elementales— se asemeja a una moneda que gira en el aire: ni cara ni cruz, sino una mezcla de posibilidades. Pero al caer sobre la mesa, el resultado se vuelve inequívoco. ¿Qué hace de mesa en la medición?

Dos piezas de grafito se frotan entre sí y la resistencia desaparece, como si una película invisible de aceite las separara. Antes, esto solo se veía bajo el microscopio, en puntos de contacto diminutos.

Una fina lámina de carbono, similar a una delicada red de triángulos, hexágonos y octágonos, reposa sobre un sustrato. Por sí misma no es superconductora: los electrones se mueven en ella de manera desordenada, chocando con los átomos. Pero basta con estirar uniformemente esta lámina, como se tensa un lienzo sobre un bastidor, y el panorama cambia.

El espacio-tiempo a distancias ultrapequeñas se asemeja a una pantalla digital: no es liso, sino que está compuesto por diminutos «píxeles».

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.

Una lámina de germanano de un átomo de espesor descansa sobre un trozo de germanio, y la corriente fluye por ella como por una autopista sin semáforos. El germanano es una red plana de átomos de germanio cubierta de hidrógeno, primo del grafeno.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta que solo toca en silencio absoluto. El más mínimo ruido y la frágil melodía se desmorona. Para los dispositivos cuánticos, ese ruido es el calor: incluso la débil radiación infrarroja de los componentes cercanos calienta los cúbits y borra sus estados cuánticos.

Un sensor cuántico es como una línea telegráfica que transmite un mensaje hipersensible. La más mínima interferencia distorsiona la señal. Antes se creía que para una medición precisa se necesitaba un «telegrafista» sin errores: un sistema ideal de corrección de errores. Pero en la práctica, todos los elementos hacen ruido.

Un trozo de cromo expuesto al aire se cubre en un minuto con una armadura invisible: una película de óxido. Esta protege al metal de la corrosión, pero para una batería es un problema: la película no deja pasar los iones de cromo y la corriente no fluye. Los científicos mezclaron cinco metales: cromo, bismuto, cobre, estaño y níquel.

Se sumerge una lámina de grafeno en una disolución de sulfato de sodio, una sal común parecida a la de mesa. Junto a la superficie, el agua deja de ser homogénea: se organiza en capas, como una pila de tortitas. Entre estas capas y dentro de ellas se distribuyen los iones, las partículas cargadas en las que se disocia la sal.

El grafeno es una lámina de carbono de un átomo de espesor. Si se corta en tiras estrechas, se obtienen nanocintas de grafeno. Sus propiedades dependen de cómo se corte la tira: como con un mismo trozo de tela se puede coser tanto un mantel liso como una falda plisada. En el nuevo trabajo, los químicos ensamblaron una cinta de forma asimétrica.

Un transistor de grafeno funciona como un interruptor microscópico: cuando una molécula se posa en su superficie, la corriente cambia. Pero la superficie desnuda del grafeno no captura nada. Se necesita un 'cebo': anticuerpos que reconozcan solo las proteínas del virus.

Un cubo de tantalato de potasio se comporta como un dieléctrico ordinario: no almacena campo eléctrico. Pero si se cultiva este material como una película fina sobre un sustrato de otro cristal, todo cambia. Las redes cristalinas de la película y del sustrato no coinciden en tamaño, y la película se ve obligada a adaptarse: se comprime un 2,1 por ciento.

Un cristal de una sola capa atómica es como una hoja de papel en la que se puede escribir con electricidad. Este material promete convertirse en la base de microchips diminutos y rápidos. Pero antes de lanzarlo a producción, hay que saber exactamente de qué está hecho. Y aquí resulta que la fórmula habitual no cuadra.

Según las leyes de la física, nada puede superar a la luz, de lo contrario, para algunos observadores, el efecto ocurriría antes que la causa. Artur Ekert y Andrzej Dragan demostraron que esta situación genera una incertidumbre similar a la cuántica.

Si haces pasar agua por un cuello estrecho, la corriente se acelera justo en el borde y detrás del obstáculo se forma un remolino. Algo parecido les ocurre a los electrones en materiales bidimensionales ultralimpios, como una capa delgada de grafeno.

Si esparces un puñado de monedas sobre una mesa, la superficie se vuelve abultada. Pero si añades más monedas, estas se extienden por sí solas formando una capa uniforme. Algo parecido ocurre cuando se depositan películas ultrafinas de moléculas individuales sobre un sustrato. Primero, aparecen islotes en la superficie: las moléculas se agrupan como personas haciendo cola.

Una cinta de grafeno de nueve átomos de ancho es como un carril por el que los electrones corren, igual que el agua por un canal estrecho. La radiación gamma es un flujo de partículas con una energía enorme, capaz de atravesar metal y plástico.

Un láser normal amplifica la luz hasta convertirla en un haz brillante. Si se invierte ese proceso, se obtiene un antiláser: un dispositivo que absorbe la luz por completo. Pero esta máquina es caprichosa: basta un ligero desorden para que la absorción falle. Los físicos han encontrado la manera de hacer que un antiláser sea invulnerable.

Una película delgada de óxido metálico descansa sobre una superficie con una pequeña cavidad. Si se comprime ligeramente la película desde los lados, no se arruga, sino que se abomba hacia abajo en la cavidad o hacia arriba formando una joroba. Ambas posiciones son estables, como la tapa de una lata de conservas, que está o hundida o abombada y no salta de un lado a otro por sí sola.

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.

La molécula ordinaria de octano es una cadena de ocho átomos de carbono, como un alambre flexible. Sobre una superficie caliente de platino (por encima de 600 K) no permanece quieta, sino que empieza a retorcerse. Primero, la cadena se dobla de modo que sus extremos se acercan.

Los materiales magnéticos pueden almacenar energía de oscilación, como un diapasón que sigue sonando después del golpe. Si se coloca un material así en una cavidad de microondas, sus oscilaciones (magnones) comienzan a interactuar con la luz (fotones).

El acero no es solo un trozo de hierro. En su interior conviven diferentes estructuras, las fases, como en un pastel de capas. En el acero de ultra alta resistencia para automóviles hay tres fases: ferrita blanda, martensita resistente y austenita plástica. El acero de manganeso medio debe su fuerza precisamente a este trío.

Un pulso de luz, como una bola de plastilina, mantiene su forma al atravesar un material ordinario. Pero si en su camino se coloca una capa especial de un átomo de espesor, el pulso comienza a extenderse: su espectro se vuelve más ancho.

En una capa delgada de cristal, los electrones se comportan de manera diferente a como lo hacen en un trozo común de metal. Están apretados, chocan más a menudo entre sí y sienten con más fuerza la forma de la red. Normalmente, estos estados se crean artificialmente apilando capas de diferentes materiales. Pero a veces la naturaleza lo hace todo por sí sola.

En capas de telururo de molibdeno retorcidas bajo un cierto ángulo, los electrones se comportan de manera inusual: pueden dividirse en partes. Es como si un pastel entero de repente comenzara a cortarse en porciones exactamente iguales, aunque solo haya un cuchillo en las manos.

Una película delgada de óxido de rutenio Sr₃Ru₂O₇, cultivada sobre un sustrato cristalino ajeno, se comporta como una lámina de goma bien estirada: el sustrato la comprime o la estira.

Una película fina de un óxido complejo es como un calco: hay que despegarla con cuidado de una superficie y colocarla en otra sin romperla. Antes se usaban capas que se disuelven en agua, pero o se disolvían demasiado lento o dañaban la propia película. Ahora se propone un nuevo "pegamento": el óxido de bario. Desaparece en agua en cuestión de minutos, dejando la película intacta.

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.

Un hilo delgado de cristal α-Bi₄Br₄, una mezcla de bismuto y bromo, conduce la corriente no como un cable común. En su interior, la electricidad se mueve solo por los bordes, como agua por un canal sin tocar el fondo ni las paredes. Este comportamiento se llama aislamiento topológico: el interior no conduce, pero por la superficie o los bordes los electrones se deslizan sin pérdidas.

Una fina película de óxido de hierro SrFeO3 reposa sobre un sustrato que la estira ligeramente. Dentro de la película, los momentos magnéticos de los átomos se enrollan en espiral, como una escalera de caracol. El estiramiento modificó esa escalera: el paso se acortó y el eje se inclinó. La causa está en el oxígeno.

Las capas retorcidas de átomos en un material forman un patrón de pequeñas regiones — los dominios — cada uno de los cuales puede estar electrizado en una de dos direcciones, como la aguja de una brújula que apunta al norte o al sur. Antes, estos materiales se estudiaban solo en conjunto, midiendo miles de dominios a la vez, y su comportamiento general era como un coro donde no se distinguen las voces individuales.