En la frontera de dos materiales exóticos, los científicos encontraron algo inesperado: un nuevo estado cuántico donde los electrones fluyen en seis direcciones inusuales. Nunca se había visto algo parecido.
Este estado fue bautizado como “cristal líquido cuántico”. Rompe con lo que sabíamos de la materia y podría ser la base de futuros dispositivos cuánticos mucho más potentes.
No hablamos de los estados clásicos de sólido, líquido, gas o plasma. Se trata de un estado diferente que aparece cuando materiales muy particulares interactúan bajo condiciones extremas.
El estudio, publicado en Science Advances y liderado por la Universidad Rutgers, analizó lo que sucede al unir un semimetal de Weyl (un conductor) con un material magnético llamado hielo de espín.
Ambos son conocidos por sus propiedades exóticas, pero nadie había explorado qué ocurre al juntarlos bajo campos magnéticos extremadamente intensos. Y ahí surgió lo sorprendente.
El físico Tsung-Chi Wu, autor principal, explicó: “Vimos nuevas fases cuánticas que aparecen solo cuando estos dos materiales interactúan. Es un nuevo estado topológico de la materia bajo campos magnéticos altos”.
El hallazgo mostró que las propiedades electrónicas del semimetal cambian por el magnetismo del hielo de espín. Eso provoca una anisotropía electrónica: la conductividad varía según la dirección.
En el experimento, dentro de un círculo de 360 grados, encontraron seis direcciones donde la conducción era mínima. Y al aumentar el campo magnético, los electrones cambiaron repentinamente a fluir en dos direcciones opuestas.
Esto encaja con un fenómeno cuántico conocido como ruptura de simetría rotacional, señal de que se formó un nuevo estado de la materia en condiciones extremas.
El descubrimiento no solo sorprende en lo teórico. Comprender cómo se mueven los electrones en estos materiales puede inspirar sensores cuánticos ultrasensibles que funcionen en entornos extremos, como el espacio o máquinas potentes.
Los semimetales de Weyl permiten que la electricidad fluya con gran velocidad y sin pérdidas, gracias a partículas cuasi-relativistas llamadas fermiones de Weyl. El hielo de espín, en cambio, organiza su magnetismo como las moléculas de hidrógeno en el hielo común.
Al unirlos, se forma una heteroestructura cuántica, compuesta por capas atómicas ultradelgadas. Este “sándwich” fue la clave para observar el nuevo comportamiento.
La mayoría de los experimentos se realizaron en el National High Magnetic Field Laboratory en Florida, donde se logran temperaturas ultrabajas y campos magnéticos gigantescos. Sin esas condiciones, el fenómeno sería invisible.
Wu y su equipo pasaron más de dos años analizando datos con apoyo teórico del profesor Jedediah Pixley y su grupo. El modelado cuántico fue crucial para entender lo observado.
La investigación se basó en trabajos previos del mismo grupo de Rutgers. Tras cuatro años de esfuerzo, desarrollaron una máquina especial, llamada Q-DiP, para fabricar estas heteroestructuras atómicas.
Como dijo el profesor Jak Chakhalian, líder del proyecto: “En aquel estudio contamos cómo logramos fabricar la heteroestructura. En este nuevo trabajo mostramos lo que puede hacer”.
El descubrimiento, documentado en Science Advances, abre la puerta a explorar nuevos estados cuánticos y a diseñar materiales con propiedades nunca vistas. Apenas es el comienzo de un campo prometedor.