Electrones fuertemente correlacionados cond-mat.str-el

Una multitud en una plaza. Al principio, cada uno gira a su propio ritmo, pero de repente la música cambia y todos comienzan a moverse sincrónicamente, como un solo cuerpo. Más o menos así se comportan los electrones en algunos metales: a veces se adhieren a impurezas magnéticas, a veces se desprenden y forman un orden colectivo.

En 1979, Su, Schrieffer y Heeger propusieron un modelo que explicaba las extrañas propiedades eléctricas del poliacetileno, un polímero orgánico que conduce la electricidad casi como un metal.

Una pista de baile donde los momentos magnéticos y los electrones de conducción alternan entre liderar y seguir: así es la red de Kondo en el cristal V5S8.

Dos actores en el mismo escenario. Uno es el fermión, caprichoso y exigente, difícil de hacer que siga las reglas del simulador cuántico. El otro es el bosón, dócil y sin pretensiones, dispuesto a ocupar cualquier lugar. El director espera que el público no note el cambio.

En una cadena de espines fríos extendida a lo largo de una línea, el orden y el desorden pueden entretejerse en un patrón que no se describe con las reglas habituales. Dos estados de la materia, dos "órdenes", están separados por una encrucijada donde los caminos no convergen, sino que divergen.

En la sala de conciertos de la teoría cuántica reinó durante mucho tiempo una estricta disciplina: se creía que los operadores, esos intérpretes de la complejidad, solo podían crecer a una velocidad determinada.

En 1867, James Clerk Maxwell imaginó un demonio que clasifica las moléculas de un gas y, con ello, viola la segunda ley de la termodinámica. El demonio necesita conocer las velocidades de las partículas.

A 78 K, el cristal de Mn₃Si₂Te₆ se convierte en una bobina de inductancia que no necesita ni alambre de cobre ni superconductor. Los electrones en su interior se organizan espontáneamente en vórtices cerrados con una dirección de rotación definida: corrientes orbitales quirales.

En el corazón de un superconductor, los electrones se fusionan en pares de Cooper y se mueven sin resistencia. Pero si en ese orden perfecto surge un vórtice, una diminuta región donde la superconductividad desaparece, aparecen allí excitaciones especiales: las cuasipartículas de Bogoliubov.

En el mundo cuántico, el ruido suele destruir el comportamiento ordenado, como si empujones aleatorios apagaran un péndulo. Pero en los procesadores cuánticos de IBM, los físicos descubrieron lo contrario: el ruido estructurado puede prolongar e incluso crear oscilaciones rítmicas. Es como un péndulo que, con empujones desordenados pero internamente coherentes, oscila más fuerte.

Cables comunes: los electrones se empujan, pierden energía, se calientan — eso es resistencia. En los superconductores, parte de los electrones se sincronizan en pares, como bailarines que giran sin chocar. Pero los pares se esconden: no se pueden ver directamente, solo adivinar por su impecable coordinación.

Los científicos han descubierto que en una red triangular especial, parecida a una alfombra densamente tejida, las partículas se quedan quietas en su lugar. No chocan con sus vecinas, no disipan energía. Las ondas de probabilidad se anulan entre sí, como hilos enfrentados en un tejido, fijando partículas-nudo.

Imagina un suelo de mosaico cuyo patrón nunca se repite, como el famoso mosaico de Penrose. En este suelo, las agujas magnéticas —los espines de los electrones— ejecutan una danza caótica, dando lugar a un líquido de espín cuántico.

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 ley descubierta por Wolfgang Pauli prohíbe que partículas idénticas ocupen el mismo lugar. Por eso, en la materia fría surge el mar de Fermi: las partículas, como el agua, llenan los niveles de energía de abajo hacia arriba. La forma de la superficie del mar — incluyendo «islas» de vacíos — dicta las propiedades de todo el sistema.

En el cristal TiSe2, los electrones se comportan como agujas de brújula que de repente apuntan todas hacia un mismo lado. Esto se denomina estado nemático, por analogía con los cristales líquidos, donde las moléculas se alinean a lo largo de una dirección común, aunque el material en sí siga siendo líquido.

Las diminutas agujas magnéticas dentro del cristal de óxido de terbio e iridio se comportan de manera extraña: en lugar de alinearse a lo largo de su eje favorito, se colocan transversalmente. Este estado se forma por completo al enfriar hasta 1,5 kelvin, una temperatura más fría que la del espacio exterior.

Los bailarines se toman de las manos y se mueven con una sincronización perfecta. En un aislante excitónico, los electrones y los huecos forman pares ligados que se condensan en un único estado cuántico, como parejas de baile que no pierden el paso. Pero, ¿qué ocurre si uno de ellos tropieza?

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.

En la familia de los bronces de wolframio, un material era considerado el tranquilo. Al enfriarse, sus hermanos reorganizan sus electrones en un patrón ondulado, pero él no. Así se pensaba hasta hace poco. Ahora resulta que también tiene su reorganización.

En el cristal La₂₋ₓSrₓCuO₄, con una cierta composición, coexisten dos estados: la superconductividad, en la que los electrones se mueven sin pérdidas, y la onda de carga, una acumulación periódica de la densidad electrónica. Estos estados compiten por las mismas nubes electrónicas, que tienen forma de pétalos en cruz.

El Universo pudo haber nacido de un estado inestable: el vacío falso. Es como un vaso de agua superenfriada: la más mínima perturbación la convierte en hielo. De igual forma, en el vacío falso una diminuta burbuja de vacío verdadero puede crecer hasta convertirse en todo un Universo.

En cada puñado de tierra fértil viven bacterias que hacen algo que ninguna fábrica puede: toman nitrógeno directamente del aire y lo convierten en fertilizante. El secreto está en la enzima nitrogenasa, y su centro activo, un cúmulo de átomos de hierro y molibdeno, se asemeja a una diminuta planta de producción.

A una temperatura de 4,3 grados por encima del cero absoluto, el cristal de telururo de paladio deja de ofrecer resistencia al paso de la corriente eléctrica. Los electrones se agrupan en pares y se mueven sin pérdidas, como una multitud que se toma de las manos. Pero este superconductor parece tener no uno, sino dos modos distintos de agruparse.

En un superconductor ordinario, los electrones se unen en pares que permanecen quietos: su impulso total es cero. Pero puede ser diferente: los pares adquieren un impulso común y comienzan a moverse, como un banco de peces nadando contra la corriente. Este estado se llama onda de pares y es muy caprichoso: se necesitan condiciones especiales.

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 ordenador cuántico se parece a una tetera demasiado caliente: las partículas corretean sin orden y hay que calmarlas para obtener una respuesta útil. En un nuevo trabajo, los físicos han ideado cómo enfriar una cadena de 19 espines cuánticos (pequeños imanes) directamente en un dispositivo real.

Una brújula magnética común se congela cuando un rayo cae cerca. El repentino salto del campo magnético confunde a la aguja. Un problema similar impedía a los científicos medir el magnetismo de los materiales en campos pulsados intensos, de esos que se activan por una milésima de segundo. La nueva instalación resuelve este problema con un rayo láser.

En un metal hay muchos electrones libres: se mueven entre los átomos como un enjambre de abejas alrededor de la colmena. Si se atraviesa ese metal con un fino hilo magnético, los electrones empiezan a sentir su campo. Un nuevo cálculo ha mostrado que no se limitan a rodear el campo, sino que lo encierran en su interior, como un tapón retiene el agua en una botella.

Los electrones en un metal son como una multitud en el metro: cada uno va por su cuenta, pero ante el menor empujón todos se mueven a la vez. Los físicos llaman plasmón a esa oscilación colectiva del gas electrónico. En los superconductores, estas oscilaciones son especialmente importantes porque revelan cómo interactúan los electrones entre sí.

El cristal de RbMn6Bi5 se asemeja a un edificio de cinco plantas de átomos de manganeso, donde los inquilinos de cada piso forman un pentágono. A temperatura ambiente, los momentos magnéticos de los átomos oscilan caóticamente, como las agujas de brújulas durante una tormenta magnética.

Una computadora cuántica de iones atrapados hizo las veces de un pequeño universo. En él, las partículas no solo se movían, sino que se tejían en nudos que cambian sus propiedades al intercambiar posiciones. Estos nudos se llaman anyones de Fibonacci: no son partículas ordinarias, sino más bien vórtices en el tejido del espacio.

Una autopista de alta velocidad por la que los coches circulan casi sin frenar: así es la capa de un semiconductor ultrapuro donde los electrones recorren distancias enormes sin una sola colisión. Los científicos han construido un transistor en el que los electrones corren el doble de rápido que en cualquier dispositivo similar hasta ahora.

Cuando se enfría a -272°C, el cristal Fe₄Nb₂O₉ se convierte en un patrón magnético donde las agujas atómicas no se alinean en una sola fila, sino que se abren en abanico. Es como si una multitud se quedara inmóvil, pero cada persona mirara en una dirección distinta, en lugar de mirar la nuca del vecino.

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.

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.

En un superconductor, la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si se coloca este material en un campo magnético, aparecen vórtices en su interior: pequeños remolinos donde la superconductividad se destruye.

Un superconductor normal solo funciona en el congelador de la naturaleza: a temperaturas por debajo de los cien grados bajo cero. El material de bolas de carbono K₃C₆₀ no es una excepción: sin frío, opone resistencia a la corriente, como una multitud en un pasillo estrecho.

Un cocinero prueba la sopa para saber cuánta sal hay en la olla. Los físicos hicieron algo parecido con los cristales: les dispararon rayos X y, según cómo se dispersaban, calcularon cuán "extendidos" están los electrones en los enlaces químicos.

En un cristal de fluoruro de manganeso, los átomos están dispuestos como una fila de soldados. Pero dentro de esta formación hay un patrón oculto: los momentos magnéticos de los átomos apuntan en direcciones opuestas, y el patrón cambia cuando se gira el cristal.