Un equipo internacional de científicos consiguió producir un estado de la materia bastante peculiar, que combina propiedades de los sólidos y los líquidos al mismo tiempo.
Lo sorprendente es que lograron hacerlo a temperatura ambiente, sin utilizar los costosos sistemas de refrigeración que normalmente requieren este tipo de experimentos cuánticos.
El descubrimiento fue realizado por investigadores de la Universidad de Varsovia, la Universidad Militar de Tecnología de Polonia, IBM Research Zurich y el CNRS francés.
Para comprender qué consiguieron, primero debemos recordar que la materia no solamente puede encontrarse en los estados sólido, líquido y gaseoso que conocemos.
Cuando los científicos estudian el comportamiento de las partículas a escalas extremadamente pequeñas, encuentran estados que presentan propiedades muy diferentes de las que observamos diariamente.
Uno de ellos es el supersólido, un estado cuántico que combina características propias de un sólido con las de un fluido que puede desplazarse sin viscosidad.
Normalmente, un sólido mantiene una estructura ordenada, como ocurre con los átomos de un cristal, mientras que un líquido puede fluir y cambiar de forma.
Pero un supersólido reúne ambas características. Presenta una organización interna que se repite regularmente y, al mismo tiempo, manifiesta propiedades de un fluido cuántico.
Es como si un material pudiera mantener un patrón ordenado mientras sus componentes participan en un movimiento colectivo que no se comporta como un líquido convencional.
Los físicos habían predicho esta posibilidad durante la década de 1960, pero tuvieron que esperar hasta 2017 para observar experimentalmente este comportamiento en gases atómicos ultrafríos.
El problema era que producir estos estados normalmente exigía enfriar los átomos hasta temperaturas extremadamente cercanas al cero absoluto, equivalente a unos 273 grados Celsius bajo cero.
Mantener esas condiciones requiere equipos especiales, consume recursos y dificulta que los investigadores desarrollen aplicaciones prácticas fuera de laboratorios altamente especializados en física cuántica.
Ahora, los investigadores encontraron una alternativa que permite estudiar este comportamiento utilizando una combinación especial de luz y materia, sin necesidad de temperaturas extremadamente bajas.
Para conseguirlo, utilizaron una diminuta estructura llamada microcavidad óptica, diseñada para mantener la luz confinada entre superficies que permiten controlar su comportamiento.
Dentro colocaron un cristal líquido, parecido en algunos aspectos a los utilizados en ciertas pantallas, junto con un material semiconductor que interactúa intensamente con la luz.
Después iluminaron el sistema mediante pulsos láser, proporcionando la energía necesaria para generar unas entidades cuánticas conocidas como excitón-polaritones, que combinan propiedades luminosas y materiales.
Aunque su nombre parece complicado, podemos entenderlos como una combinación del comportamiento de la luz con las excitaciones que aparecen dentro de determinados materiales.
Cuando muchas de estas entidades alcanzan las condiciones adecuadas, pueden comportarse colectivamente como si formaran un único sistema cuántico, en lugar de actuar independientemente.
Este fenómeno se conoce como condensación de Bose-Einstein y suele asociarse con temperaturas extremadamente bajas, aunque también puede producirse en ciertos sistemas basados en luz.
En este experimento, los científicos consiguieron que ese conjunto desarrollara una estructura periódica, mientras mantenía las características propias de un fluido cuántico.
La evidencia apareció en forma de franjas luminosas que se repetían a intervalos regulares, señal de que el sistema había desarrollado una organización espacial ordenada.
Pero los investigadores observaron otro fenómeno que les permitió comprobar que aquellas franjas no eran simplemente una consecuencia de la estructura del dispositivo utilizado.
Cada vez que aplicaban un nuevo pulso láser, el patrón volvía a formarse, pero las franjas aparecían en posiciones ligeramente diferentes dentro del sistema.
Esto indicaba que la organización surgía espontáneamente, porque el sistema podía escoger entre varias configuraciones equivalentes sin que una posición estuviera determinada desde el exterior.
En física, este comportamiento recibe el nombre de ruptura espontánea de simetría, un fenómeno importante para comprender cómo aparecen estructuras ordenadas en diferentes sistemas.
Además, los investigadores observaron patrones relacionados con la polarización de la luz, es decir, con la orientación de las oscilaciones de sus campos eléctricos.
Esto les permitió identificar dos formas de organización simultáneas: una relacionada con la intensidad luminosa y otra con las propiedades de polarización del sistema.
El experimento también presentó dificultades importantes. Los materiales utilizados reaccionaban entre sí y comenzaban a deteriorarse, por lo que las muestras tenían una duración limitada.
Los investigadores debían completar sus mediciones durante las primeras horas después de fabricar cada dispositivo, antes de que la degradación afectara demasiado sus propiedades.
Además, las entidades cuánticas individuales tenían vidas extremadamente cortas, de apenas unos pocos picosegundos, aunque el sistema podía volver a formarse mediante nuevos pulsos láser.
A pesar de estas limitaciones, los científicos consiguieron reproducir los resultados utilizando diferentes muestras y comprobaron que sus observaciones coincidían con simulaciones por computadora.
Una de las ventajas del nuevo dispositivo es que sus propiedades pueden modificarse aplicando voltajes eléctricos, lo que facilita controlar experimentalmente el comportamiento del estado cuántico.
Además, las microcavidades pueden funcionar incluso a temperaturas cercanas a los 60 grados Celsius, aunque eso no significa que el fenómeno permanezca estable indefinidamente.
El estudio fue publicado en la revista Science Advances y representa un avance importante para investigar determinados estados cuánticos sin depender de refrigeración extrema.
Los investigadores consideran que estos sistemas podrían servir para desarrollar dispositivos fotónicos más rápidos, sensores ópticos sensibles y tecnologías que procesen información utilizando luz.
También podrían contribuir al desarrollo de sistemas informáticos inspirados en el funcionamiento del cerebro, aunque estas aplicaciones todavía requieren numerosas investigaciones y mejoras técnicas.
Por ahora, los científicos no han creado un nuevo material comercial ni una computadora cuántica que funcione a temperatura ambiente, sino una plataforma experimental.
Su principal logro consiste en demostrar que un comportamiento cuántico asociado durante décadas con condiciones extremadamente frías también puede producirse mediante luz y materia a temperaturas habituales.
Y eso permitirá explorar las propiedades de los supersólidos con dispositivos mucho más accesibles, mientras los investigadores buscan maneras de mejorar su duración y estabilidad.