Descubren una nueva fase de la materia que parece ciencia ficción: de la cuántica al teseracto

Un equipo de científicos ha realizado un descubrimiento sorprendente que se enfrenta de lleno a las ideas tradicionales sobre las propiedades de la materia a escala cuántica: el “cristal de Bose bidimensional”, también conocido como “vidrio de Bose“. Este material fue observado en un experimento con átomos ultrafríos dispuestos en una estructura cuasicristalina. ¿Y esto qué significa? Pues que los átomos siguen un patrón ordenado pero no periódico, una idea que rompe con la repetición típica de los cristales convencionales. Este tipo de disposición permite el estudio de comportamientos únicos, especialmente en sistemas donde el desorden y las interacciones cuánticas juegan un papel crucial. Se trata de una puerta a nuevas fases de la materia que podrían cambiar nuestra comprensión de la física moderna.

Este avance proviene de un grupo de investigadores de la Universidad de Cambridge, liderados por Ulrich Schneider y Bo Song, quienes publicaron sus hallazgos en la prestigiosa revista Nature. En su artículo, titulado “Observing the two-dimensional Bose glass in an optical quasicrystal“, describen cómo lograron crear y observar esta nueva fase de la materia utilizando átomos de potasio ultrafríos en una trampa óptica cuasicristalina. Este estudio es un hito en el campo de la materia condensada y plantea interrogantes sobre el futuro de las aplicaciones tecnológicas basadas en estos descubrimientos, desde la computación cuántica hasta el diseño de nuevos materiales.

WordPress ¿Qué es el vidrio de Bose?

“La presencia de desorden influye sustancialmente en el comportamiento de los sistemas físicos”. Así comienza el reciente artículo. Toda una declaración de intenciones de lo que se explica en la investigación.

En los sistemas cuánticos, las partículas pueden organizarse en varios estados dependiendo de sus condiciones. Uno de los estados más conocidos es el superfluido, donde las partículas —generalmente átomos o moléculas— se mueven en perfecta sincronía sin encontrar resistencia. Esta disposición les permite fluir indefinidamente. Un fenómeno que es posible gracias a la coherencia cuántica, una propiedad que mantiene a las partículas alineadas, permitiendo su comportamiento colectivo. Sin embargo, cuando las condiciones cambian y el sistema presenta desorden—debido a irregularidades en la estructura o interacciones aleatorias entre las partículas—, este comportamiento coherente se rompe, y las partículas comienzan a organizarse de una manera completamente diferente.

Este desorden puede dar lugar a una fase cuántica llamada “vidrio de Bose” o “cristal de Bose”. A diferencia del superfluido, el vidrio de Bose es un aislante cuántico, lo que significa que no permite el flujo de partículas. Sin embargo, su peculiaridad radica en que, a pesar de ser un aislante, es compresible: las partículas atrapadas en sus posiciones fijas aún pueden reacomodarse bajo presión, lo que permite que el material cambie de forma sin perder su estado. Este estado híbrido entre un aislante y un sistema con capacidad de reconfiguración fue teorizado hace décadas, pero resultaba difícil de observar en la práctica. No fue hasta el desarrollo de nuevas técnicas experimentales, como el uso de átomos ultrafríos y trampas ópticas avanzadas, que los científicos pudieron detectar este fenómeno con claridad. Estas tecnologías permiten enfriar los átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto, donde comienzan a exhibir comportamientos cuánticos que son clave para estudiar fases como el vidrio de Bose.

La presencia de desorden influye sustancialmente en el comportamiento de los sistemas físicos

El comportamiento del vidrio de Bose es intrigante porque las partículas en este estado pierden completamente la coherencia de fase a largo plazo, es decir, sus posiciones y movimientos no siguen un patrón predecible. A diferencia del superfluido, donde las partículas están altamente correlacionadas, en el vidrio de Bose las partículas se localizan en pequeños “pozos” del potencial desordenado, sin capacidad de moverse de manera libre o coherente. Este estado aparece en diferentes sistemas cuánticos que presentan desorden y fuertes interacciones entre las partículas. Se trata, por tanto, de un fenómeno relevante no solo para la física cuántica teórica, sino también para entender el comportamiento de materiales desordenados en la naturaleza, como ciertos tipos de imanes cuánticos, fluidos de helio y materiales superconductores.

WordPress La estructura cuasicristalina

La estructura cuasicristalina utilizada en este experimento no solo es fascinante por su orden no periódico, sino que representa un punto intermedio único entre el orden y el desorden en sistemas físicos. A diferencia de los cristales convencionales, donde los átomos se disponen en un patrón repetitivo tridimensional, los cuasicristales tienen simetría de largo alcance, pero carecen de periodicidad. Esto significa que los átomos están organizados de manera que nunca se repiten exactamente, lo cual genera propiedades físicas inusuales. Los cuasicristales fueron descubiertos por primera vez en 1984 por el científico Dan Shechtman, lo que le valió el Premio Nobel de Química en 2011. Desde entonces, su estudio ha sido clave para entender fenómenos como la conductividad eléctrica, el magnetismo y, ahora, las fases cuánticas de la materia, como el cristal de Bose.

En el caso de este experimento, los investigadores de Cambridge crearon un cuasicristal óptico bidimensional utilizando láseres que forman un patrón de red cuasicristalina. Para ello, superpusieron cuatro redes láser en el plano bidimensional a 45 grados, creando una simetría de ocho pliegues, una característica distintiva de los cuasicristales que, aunque tiene un orden definido, no es periódica. Esta estructura no periódica es ideal para estudiar cómo el desorden afecta a los sistemas cuánticos. Además, el sistema fue enfriado a temperaturas cercanas al cero absoluto para que los átomos de potasio ultrafríos adoptaran comportamientos cuánticos coherentes, lo que permitió observar su transición de un estado superfluido a un estado de cristal de Bose a medida que se ajustaban las propiedades del láser y se incrementaba el “desorden” en el sistema.

Una de las ventajas de este cuasicristal óptico es que permite estudiar la localización de Anderson, un fenómeno donde las partículas en un sistema desordenado se localizan en ciertas posiciones debido al desorden, impidiendo su movimiento libre. Esto está íntimamente relacionado con la transición del sistema de un superfluido a un vidrio de Bose. En los cristales convencionales, el desorden tiende a desestabilizar el sistema rápidamente. Sin embargo, en un cuasicristal, la combinación de orden a largo alcance y la falta de periodicidad genera un entorno donde los átomos pueden moverse entre fases de manera más controlada, proporcionando una plataforma única para estudiar la relación entre el orden y el desorden en sistemas cuánticos.

WordPress La transición entre fases: del superfluido al vidrio de Bose

La transición entre el superfluido y el estado de vidrio de Bose es uno de los aspectos más importantes de este experimento, ya que revela cómo los átomos responden a cambios en el desorden y las interacciones. En un superfluido, las partículas se comportan de manera sincronizada y coherente, fluyendo sin fricción gracias a la fuerte correlación entre ellas. Sin embargo, cuando se introduce desorden en el sistema—por ejemplo, variando la intensidad del potencial cuasicristalino—, esta coherencia comienza a romperse. Los átomos ya no se comportan como una unidad fluida, sino que empiezan a localizarse en posiciones específicas dentro de la estructura cuasicristalina. En lugar de moverse libremente, quedan atrapados en “burbujas” formadas por el potencial, lo que da lugar al estado de vidrio de Bose, donde la movilidad de las partículas se suprime.

Este proceso de transición fue capturado utilizando una técnica experimental llamada “distribución de momento“, que permite analizar el comportamiento de los átomos cuando son liberados de la trampa óptica. En un superfluido, los átomos, al ser liberados, muestran patrones de interferencia nítidos, similares a las ondas concéntricas que se forman cuando se lanza una piedra en un estanque. Estos patrones reflejan la coherencia de fase del sistema, indicando que las partículas están alineadas y sincronizadas. Sin embargo, cuando el sistema entra en el estado de vidrio de Bose, estos patrones cambian drásticamente. En lugar de producir un patrón claro, los átomos forman un perfil de interferencia difuso y desorganizado, lo que indica que han perdido la coherencia de fase a largo plazo. Es decir, las partículas ya no están correlacionadas y se encuentran atrapadas en diferentes regiones del potencial desordenado, lo que confirma la transición hacia el estado de aislamiento cuántico.

Lo más interesante de esta transición es que no ocurre de manera abrupta, sino gradual. A medida que el desorden aumenta, una parte del sistema puede permanecer en estado superfluido mientras otra comienza a comportarse como un vidrio de Bose, lo que crea una coexistencia de fases. Esta coexistencia fue observada en la distribución de los átomos: mientras el centro del sistema mantenía cierto grado de coherencia, los bordes más externos, donde la densidad de partículas era menor, mostraban el comportamiento típico de un vidrio de Bose.

WordPress El desafío de la adiabaticidad

El desafío de la adiabaticidad en el estado de vidrio de Bose es uno de los aspectos más complejos y únicos de esta fase cuántica. En sistemas cuánticos convencionales, como en la transición de un superfluido a un aislante de Mott, el paso entre fases puede hacerse de manera adiabática, es decir, lo suficientemente lenta como para que el sistema mantenga el equilibrio térmico sin generar calor ni desorden excesivo. Sin embargo, en el caso del vidrio de Bose, la situación es mucho más complicada. Los investigadores encontraron que no es posible atravesar esta transición de manera adiabática, lo que significa que el sistema no puede mantenerse en equilibrio durante el cambio de un estado superfluido a uno de vidrio de Bose.

Este fenómeno se debe en gran parte a la naturaleza no ergódica del vidrio de Bose. Un sistema ergódico es aquel en el que, con el tiempo suficiente, cualquier configuración de las partículas puede alcanzarse, y el sistema explora uniformemente todos sus estados posibles. En el vidrio de Bose, sin embargo, las partículas se localizan en regiones del potencial desordenado y no pueden redistribuirse de manera eficiente. Esto crea un tipo de “atasco” cuántico donde las partículas quedan atrapadas en configuraciones específicas, impidiendo que el sistema se reorganice suavemente. Así, cualquier intento de cambiar las condiciones del sistema —como aumentar o disminuir el desorden— genera inevitables picos de calor y entropía, lo que provoca la pérdida de coherencia y el aumento del desorden.

Para explorar esta limitación, los científicos realizaron un experimento en el que intentaron restaurar la coherencia del superfluido una vez que el sistema había entrado en el estado de vidrio de Bose. Al transformar gradualmente el potencial cuasicristalino en una red cúbica periódica, esperaban que el sistema recuperara las características de un superfluido. Sin embargo, los resultados mostraron que una vez que el sistema había cruzado la barrera hacia el vidrio de Bose, era imposible recuperar completamente la coherencia de fase, incluso utilizando rampas muy lentas y controladas. Esto sugiere que la irreversibilidad del proceso es intrínseca a esta fase cuántica, lo que contrasta fuertemente con otras transiciones de fase cuánticas, donde un manejo cuidadoso de las condiciones experimentales suele ser suficiente para evitar la generación de calor o entropía.

Además, este comportamiento recuerda a la dinámica observada en otros sistemas no ergódicos, como la localización de muchos cuerpos (MBL, por sus siglas en inglés: Many-body localization), donde las interacciones y el desorden impiden que las partículas se relajen a estados térmicos convencionales. En este sentido, el vidrio de Bose puede considerarse una manifestación del MBL en un régimen de baja energía, donde las interacciones y el desorden actúan juntos para evitar la reorganización térmica del sistema.

WordPress ¡Ojo!, no se ha descubierto un nuevo estado de la materia

Es importante aclarar que el vidrio de Bose no es un nuevo estado de la materia en el sentido clásico. Los estados de la materia más conocidos, como el sólido, líquido, gas y plasma, describen cómo las partículas interactúan entre sí bajo diferentes condiciones de temperatura y presión. Estos estados son macroscópicos y resultan de la organización de las partículas y la energía en el sistema. En el caso del vidrio de Bose, estamos hablando de una fase de la materia dentro del ámbito de la física cuántica, que ya fue teorizada y observada en ciertas condiciones, aunque no tan detalladamente en dos dimensiones y con cuasicristales como en este reciente experimento.

Además de los estados clásicos de la materia, existen otras fases cuánticas como los superfluidos, donde las partículas fluyen sin fricción, o los condensados de Bose-Einstein, donde un grupo de partículas cuánticas se comporta como un solo ente coherente a temperaturas extremadamente bajas. En esta categoría también encontramos el vidrio de Bose, una fase en la que las partículas están localizadas debido al desorden, pero siguen siendo compresibles. Lo que este nuevo experimento ha logrado es capturar la transición entre el estado superfluido y el vidrio de Bose en un entorno de desorden controlado, usando átomos ultrafríos y un cuasicristal óptico.

Es crucial distinguir entre fases y estados de la materia. Las fases describen cómo un estado de la materia puede cambiar o transformarse bajo diferentes condiciones, como la temperatura o la presión. Un ejemplo de esto sería el agua, que en su estado sólido puede existir en múltiples fases, como el hielo hexagonal o el hielo cúbico, dependiendo de las condiciones ambientales. En el caso del vidrio de Bose, estamos observando una fase aislante y desordenada que surge de la interacción cuántica y el desorden en un sistema específico de átomos ultrafríos, pero no se trata de un estado completamente nuevo de la materia.

Aunque… ¿realmente existe una diferencia clara entre estados y fases de la materia?Francisco Villatoro (físico y doctor en Matemáticas) lo explica con esta contundencia: “Soy radical en las cuestiones de nomenclatura, así que me atrevería a decir que no existen los estados de la materia (salvo en el lenguaje cotidiano), solo existen las fases de la materia. Y así que no serían estados de la materia. No hay diferencia conceptual entre un líquido y un superfluido. ¿Son estados de la materia o son fases de la materia? ¿Tiene sentido esta distinción?”

WordPress Hacia una tecnología imposible de hackear

El descubrimiento del vidrio de Bose en dos dimensiones tiene profundas implicaciones para la física cuántica, la materia condensada y, potencialmente, para el desarrollo de tecnologías como los ordenadores cuánticos. Aunque el paper no menciona directamente estas aplicaciones tecnológicas, la naturaleza de este hallazgo cuántico abre puertas hacia un mejor control de las fases de la materia. Uno de los retos más grandes en la física cuántica y la ingeniería de materiales es cómo gestionar y manipular el desorden en sistemas interactuantes, ya que el desorden tiende a dificultar el control preciso de los estados cuánticos. En este contexto, el vidrio de Bose proporciona una plataforma excepcional para estudiar cómo las partículas cuánticas interactúan y se localizan en un entorno desordenado, lo que es crucial para optimizar y estabilizar los qubits, los bloques fundamentales de los ordenadores cuánticos.

Los ordenadores cuánticos necesitan mantener un delicado equilibrio entre coherencia y control, evitando que los qubits se desestabilicen debido al ruido o desorden en el sistema. Si logramos entender mejor la forma en que las fases como el vidrio de Bose responden al desorden y a las interacciones cuánticas, podríamos desarrollar sistemas cuánticos más robustos y eficientes. El comportamiento no ergódico del vidrio de Bose, en el que las partículas quedan atrapadas en configuraciones desordenadas sin poder reorganizarse, podría ofrecer una pista para desarrollar mecanismos que prevengan la pérdida de coherencia en los qubits. Al igual que el vidrio de Bose, los qubits de un ordenador cuántico podrían beneficiarse de configuraciones que los mantengan “localizados”, reduciendo las probabilidades de errores cuánticos y mejorando la estabilidad de los sistemas.

En términos más amplios, este descubrimiento también evoca escenarios que hasta ahora parecían sacados de la ciencia ficción. La idea de manipular fases de la materia de manera precisa para crear tecnologías avanzadas, como ordenadores cuánticos, sensores cuánticos y materiales con propiedades ajustables, es algo que durante años solo parecía posible en el ámbito de novelas futuristas. El vidrio de Bose, al revelarnos una fase de la materia que se enfrentan a nuestras nociones clásicas de orden y desorden, podría ser un paso hacia esos avances. Podemos soñar e imaginar un futuro en el que podamos diseñar materiales que se adapten y cambien sus propiedades en función del entorno cuántico en el que se encuentren. Este tipo de control sobre las fases cuánticas es lo que podría hacer realidad las tecnologías que ahora vemos en películas de ciencia ficción, como procesadores ultrarrápidos y redes cuánticas imposibles de hackear. Quién sabe si estamos ante el teseracto, ese mítico cubo cósmico del universo Marvel.

WordPress Referencias