Otra materia condensada cond-mat.other

Un péndulo recibe un impulso, pero no vuelve a su posición inicial tras un período, sino tras dos. Así se comporta un cristal de tiempo discreto, una fase de la materia que rompe espontáneamente la simetría de traslación temporal discreta y oscila con un período múltiplo del forzamiento externo.

Un diapasón tallado en un metal perfecto vibra en una única frecuencia. Su sonido es puro, como una fórmula matemática. Pero si lo sujetas con un tornillo de banco o lo sumerges en un líquido viscoso, el tono se vuelve borroso, se llena de ruidos y pierde nitidez. Algo parecido le ocurre al núcleo de escandio-45 cuando se coloca en una red cristalina.

Un copo de nieve, al caer de la nube, elige entre su forma izquierda y su forma derecha. La diferencia entre ambas es casi imperceptible, como un soplo de viento, pero es precisamente ese soplo el que decide qué patrón crecerá.

Según la teoría de Einstein, la rotación de la Tierra arrastra consigo el espacio-tiempo, como una cuchara arrastra miel espesa. Este efecto es increíblemente débil: aproximadamente una vuelta cada miles de millones de años. Pero se puede captar.

Los relojes atómicos convencionales se basan en la espectroscopía, el conteo de las oscilaciones de los electrones. Los relojes nucleares de torio-229, en cambio, apuntan al propio núcleo.

Habitualmente consideramos que el número de dimensiones es constante: largo, ancho, alto. Pero en el mundo cuántico incluso esto puede ser variable. Una nueva teoría describe sistemas donde la dimensión no es una constante, sino una propiedad cuántica que puede ser diferente al mismo tiempo. Un globo en el frío está plano, en el calor, redondo.

El helio sobre grafito se comporta como un acróbata que se desliza por la cuerda floja y, al mismo tiempo, mantiene la postura.

El electrón es una partícula diminuta, pero dentro de un cristal se comporta como si tuviera otra masa. A esto se le llama masa efectiva. Para medirla, los físicos hacen que los electrones corran en círculos dentro de un campo magnético, como un patinador de velocidad en una pista de hielo al que no le permiten salirse de la órbita.

Enfriaron el cristal a 228 grados bajo cero — y en su superficie apareció un patrón, como escarcha en el vidrio. Pero no lo dibuja la humedad, sino el campo magnético: diminutas partículas de hierro suspendidas en un líquido se depositan en las zonas magnetizadas y revelan su ubicación. Así funciona el método que usaron los autores del estudio.

Una diminuta escama de cristal reposa sobre un sustrato como una hoja otoñal en la palma de la mano. Su grosor es menor que un cabello humano, y en su interior bullen efectos cuánticos: superconductividad, orden magnético, líquido de espín cuántico.

Dos placas metálicas en vacío total se atraen. Ya Richard Feynman comparaba el vacío con una espuma hirviente: pares de partículas nacen y desaparecen al instante, creando el efecto Casimir. Si las placas son asimétricas, también se retuercen: esto es un motor de vacío. Pero para la rotación no es necesario tener piezas curvadas.

Un imán común se puede imaginar como una fila de soldados, todos mirando en la misma dirección. Un antiferromagneto está organizado de otra manera: los 'soldados' vecinos miran en direcciones opuestas, pero la fila en su conjunto permanece ordenada. Voltear tal fila es difícil: no reacciona a campos externos débiles.

Desde los tiempos de Galileo se creía que en el vacío todos los cuerpos caen por igual. Einstein lo elevó a principio: la gravedad se transmite a la velocidad de la luz y es una curvatura del espacio-tiempo.

El helio líquido, enfriado casi hasta el cero absoluto, se comporta como dos fluidos a la vez: una parte viscosa ordinaria y una parte superfluida que fluye sin fricción. Cuando esa corriente choca con un cilindro, nacen vórtices detrás de él.

Una celda de sesenta átomos de carbono, parecida a un balón de fútbol, deja entrar en su interior a moléculas pequeñas. Las esferas de carbono llamadas fullerenos se acomodan en un cristal como naranjas en una caja: entre ellas quedan huecos.

Cada electrón es como una peonza: gira sobre su propio eje. A esa rotación se la llama espín. En la electrónica convencional no se usa el espín, solo la carga. Y es una lástima: si aprendemos a controlar el espín, los chips serán más rápidos y eficientes.

El nitruro de boro hexagonal es un cristal delgado, pariente del grafito, pero transparente y dieléctrico. En su red cristalina a veces aparecen defectos puntuales: falta un átomo de boro o de nitrógeno, y en su lugar se forma una trampa para electrones. Esa trampa puede absorber luz y reemitirla, como una diminuta linterna.

La chimenea de una fábrica expulsa dióxido de carbono al aire, y junto a ella hay una instalación que captura ese gas y, con luz solar, ensambla moléculas de etileno, la materia prima de las bolsas y tuberías de plástico. Ese panorama se acerca gracias a científicos de materiales que modificaron un cristal del semimetal PdSn4 con una pequeña cantidad de platino.

Un destello láser golpea una capa de plata de un átomo de espesor depositada sobre grafeno bicapa, y en billonésimas de segundo se abre en la estructura electrónica del grafeno una brecha que antes no existía.

A una temperatura de 0,1 K — tres décimas de grado por encima del cero absoluto — la materia deja de obedecer las reglas habituales. El helio se vuelve superfluido: fluye sin fricción, se filtra por rendijas y se comporta como un único líquido cuántico gigante.

Los electrones en el cristal CrSb se comportan como un banco de peces: dentro del material se deslizan por sus 'pasillos', y en la frontera con el vacío se organizan en patrones caprichosos. Estos patrones son la superficie de Fermi, el mapa de todas las velocidades permitidas para los electrones. No se puede tocar con la mano, pero se puede 'palpar' con un campo magnético.

El helio líquido a temperaturas ultrabajas fluye sin fricción, como un lubricante ideal. En él nacen remolinos parecidos a los del agua común, pero su fuerza de rotación cambia solo por pasos fijos, como los de un tocadiscos: solo 33, 45 o 78 revoluciones.

Una película delgada de semiconductor de un átomo de espesor se asemeja a un piso compartido: en ella viven electrones con carga negativa y «huecos» con carga positiva.

Un superconductor normal expulsa el campo magnético, pero este anillo, al contrario, lo crea en su interior. El anillo está hecho del material Fe(Te,Se), un compuesto de hierro, telurio y selenio que pierde su resistencia eléctrica a temperaturas muy bajas.

Los momentos magnéticos en un cristal se asemejan a las agujas de brújulas fijadas en los nodos de la red. En estado normal se alinean en un orden preciso, pero si una onda electromagnética golpea el cristal, las agujas comienzan a oscilar, como espigas de trigo bajo el viento. Estas oscilaciones se denominan magnones y transportan energía sin que los propios átomos se desplacen.

Un cristal de iones de calcio en una trampa, iluminado por un láser, es un modelo diminuto de la materia en el interior de una enana blanca. Allí, en las profundidades de una estrella moribunda, los núcleos atómicos se organizan en una red rígida cuando la temperatura desciende.

En el cristal de titanato de bario hay un campo eléctrico interno, como el de un imán permanente, pero para cargas. Cuando llega un destello de luz, expulsa electrones que comienzan a agitarse, chocando con los átomos. Pero el cristal no es igual en todas las direcciones: tiene un eje a lo largo del cual el campo es más intenso.

Un fluido sin fricción, que fluye eternamente, eso es la superfluidez. El helio-3 la adquiere solo a milésimas de grado por encima del cero absoluto. La teoría de este estado fue desarrollada por Lev Landau y Richard Feynman.

En helio enfriado casi hasta el cero absoluto, el líquido deja de rozarse consigo mismo y fluye sin resistencia alguna.

Si empujas calor a través de un trozo de cuarzo, normalmente va recto, como el agua por una tubería. Pero en cuanto enciendes un campo magnético, el flujo se desvía un poco hacia un lado, como si la tubería de repente tuviera una derivación lateral.

La aguja magnética de una brújula gira lentamente, pero en el interior de algunos materiales los diminutos momentos magnéticos pueden reorientarse en tiempos difíciles de imaginar. Un grupo de físicos ha calculado cómo hacer que cambien de dirección en una millonésima de milmillonésima de segundo. Es más rápido que un parpadeo.

El óxido de rutenio fue considerado durante mucho tiempo un altermagneto ejemplar: un material en el que los momentos magnéticos de átomos vecinos apuntan en direcciones opuestas, pero no se compensan por completo debido a la simetría especial del cristal. Nuevas mediciones han demostrado que en el interior del cristal no hay magnetismo alguno.

Un imán normal de nevera atrae el hierro porque en su interior todas las diminutas agujas magnéticas apuntan en la misma dirección. Pero hay materiales donde las agujas se ordenan de forma más retorcida: las filas vecinas apuntan en direcciones opuestas y desde fuera parece que no hay magnetismo. A estos materiales se les llamó altermánes.

Una estrella de neutrones es un trompo con la masa del Sol, comprimido al tamaño de una ciudad. Nace en el fuego de una supernova y normalmente solo frena su rotación. Pero a veces, sin razón aparente, de repente acelera: ese tirón se llama glitch.

Un láser convencional se parece a una orquesta cuyos músicos necesitan calentar antes de tocar al unísono. Primero hay que bombear energía a suficientes átomos para que se 'inviertan' y estén listos para emitir luz: esto se llama inversión de población. Solo entonces surge el haz.

Los pequeños imanes dentro de los átomos —los espines nucleares— pueden "congelarse" durante largos minutos en un cristal frío. Esto dificulta el ajuste rápido de los sensores cuánticos: todo tarda demasiado en alcanzar el estado deseado. Los físicos han encontrado una manera de impulsarlos con luz.

Acaban de dejar de remover una olla de agua: los remolinos y torbellinos se van calmando poco a poco y el líquido se vuelve liso. Un proceso similar, pero en el mundo cuántico, ocurre en el helio superfluido o en una nube de átomos ultrafríos.

En el helio superfluido, la fricción desaparece: el líquido fluye como un arroyo de montaña, pero sin un solo remolino. Un breve pulso láser agitó esta superficie y los científicos, con ayuda de la espectroscopía, captaron las ondas que se propagaban: ondas cuánticas con muchas velocidades.

Una tetera común: la calientas, sube la temperatura y con ella el desorden molecular, sale vapor. Pero en el laboratorio crearon una «tetera» inusual: un agujero negro analógico hecho de circuitos superconductores enfriados al límite.

Dentro del protón hierve la vida. Los quarks no están simplemente sentados: los mantienen unidos unas partículas portadoras, los gluones (de la palabra glue, pegamento). Normalmente, este pegamento está distribuido uniformemente, como mantequilla sobre una sartén. Pero cuando las energías se vuelven enormes, los gluones empiezan a agruparse en grumos.