Científicos descubren un estado cuántico de la materia que antes se creía imposible
Se ha demostrado que, incluso en condiciones cuánticas extremas, pueden formarse estados topológicos estables, cambiando lo que se sabía sobre los electrones.
En el mundo físico que percibidos a diario, si agitamos una estructura con fuerza, esta se desordena o se rompe. Sin embargo, en el universo subatómico las reglas del juego cambian de forma contraintuitiva.
Una investigación reciente publicada en Nature Physics acaba de confirmar algo que hasta hace poco se consideraba teóricamente imposible, que es la existencia de una fase semimetálica topológica en condiciones de inestabilidad extrema.
Los científicos han descubierto una estructura ordenada justo en el lugar donde las fluctuaciones deberían haberla destruido, un descubrimiento que obliga a replantear décadas de conocimiento sobre el comportamiento de los electrones.
El escenario imposible de la criticidad cuántica
Para entender la magnitud del hallazgo, debemos mirar hacia el cero absoluto. Y es que cuando se enfrían ciertos materiales a temperaturas extremas, la materia deja de comportarse como un conjunto de partículas sólidas y definidas.
Entra en un estado conocido como criticidad cuántica, y es en este punto cuando el material se convierte en un "charco de ondas" fluctuante, tambaleándose al borde del cambio de fase.
La teoría convencional de la materia condensada dictaba que, en medio de ese caos cuántico, no podía existir un orden topológico complejo. Se asumía que las violentas fluctuaciones destruirían cualquier estructura delicada.
Sin embargo, el material compuesto de cerio, rutenio y estaño ha demostrado que los modelos estaban equivocados. En lugar de romperse, las fuertes interacciones entre los electrones generaron una nueva forma de orden.
Lo que debía ser un entorno hostil para la estructura se convirtió, paradójicamente, en el catalizador que la hizo posible. Es por esta razón que los científicos se han quedado atónitos con el descubrimiento.
La prueba irrefutable del efecto Hall espontáneo
Los físicos de la Universidad de Rice y la Universidad Tecnológica de Viena no llegaron a esta conclusión mediante simulaciones, sino a través de una evidencia experimental clara.
Al enfriar el material y aplicar una corriente eléctrica, observaron que el flujo de electrones se curvaba hacia un lado. Este fenómeno se conoce como efecto Hall.
Lo revolucionario es que el efecto Hall normalmente requiere la presencia de un campo magnético externo potente para desviar la trayectoria de los electrones. Pero en este experimento no había imanes.
La desviación ocurrió de forma espontánea, lo que confirma que la propia estructura interna del material —su topología— estaba guiando a los electrones.
Es la prueba definitiva de que este estado cuántico exótico no solo existe, sino que es robusto frente a las perturbaciones externas. Las fluctuaciones críticas, lejos de ser un obstáculo, estabilizaron la fase recién descubierta.
Una nueva vía para la tecnología del futuro
Este avance soluciona uno de los mayores dolores de cabeza de la ingeniería actual. La computación cuántica es notoriamente frágil; cualquier interferencia o ruido ambiental suele romper el estado de los cúbits y arruinar el proceso.
El descubrimiento de que las fuertes interacciones cuánticas pueden crear estados topológicos estables sugiere que es posible diseñar materiales que se protejan a sí mismos.
Por ello, estamos ante la base para una nueva generación de electrónica de alta eficiencia y sensores de precisión milimétrica. Si se logra aprovechar esta estabilidad dentro del caos, se podrá fabricar componentes que funcionen de manera fiable en condiciones donde la electrónica actual fallaría.
Las interacciones fuertes no destruyen necesariamente el orden; pueden crearlo. Este hallazgo en el material compuesto de cerio, rutenio y estaño es probablemente solo la punta del iceberg.
Si este estado imposible existe en este compuesto, es muy probable que se esconda en muchos otros materiales que se han pasado por alto. Los libros de texto sobre física de la materia condensada necesitan una actualización urgente.