Por primera vez en la historia, físicos han logrado visualizar completamente la extraña geometría que controla el movimiento de partículas dentro de los materiales, un avance que podría revolucionar el diseño de nuevos materiales
Los electrones que fluyen dentro de todos los materiales no se mueven libremente como podríamos imaginar. Al igual que un peatón que debe navegar por calles y aceras en una ciudad, o sortear colinas y valles en el campo, los electrones deben atravesar un paisaje cuántico oculto que limita y dirige su movimiento según las leyes de la física cuántica.
Durante décadas, los físicos sospecharon la existencia de esta topografía invisible, pero su naturaleza abstracta y matemáticamente compleja hacía imposible observarla directamente. Ahora, investigadores del Massachusetts Institute of Technology han logrado crear el primer mapa completo de este reino previamente invisible.
Un avance histórico en la física cuántica
Riccardo Comin, físico del MIT y uno de los autores principales del estudio, describe el momento del descubrimiento: «Podemos ver ahora estas texturas ocultas que de repente se iluminan en los datos experimentales». Este logro, publicado en la revista Nature, representa un hito fundamental para comprender y diseñar materiales con propiedades extraordinarias.
El mapa revela lo que los científicos llaman el «tensor geométrico cuántico» (QGT), un objeto matemático que contiene toda la información necesaria para navegar por la geometría cuántica donde residen los electrones. Es como tener simultáneamente una regla que mide las distancias más cortas entre puntos cuánticos y una brújula especial que indica cómo el movimiento en bucles reorienta a las partículas.
Más allá de la teoría de Bloch
La comprensión moderna de cómo se comportan los electrones en los sólidos se basa en el trabajo pionero del físico Felix Bloch de 1929, quien demostró que los electrones se mueven en «bandas» de energía específicas. Esta teoría hizo posible la electrónica moderna, pero no podía explicar fenómenos más recientes como:
- Superconductores de alta temperatura en materiales como el bismuto telururo
- Grafeno apilado y retorcido que conduce electricidad sin resistencia
- Corrientes superficiales en materiales que actúan como aislantes
La técnica revolucionaria
El equipo de Comin utilizó una versión modificada de la espectroscopia de fotoemisión con resolución angular (ARPES), una técnica estándar en laboratorios de ciencia de materiales. Al bombardear un material compuesto de cobalto y estaño con luz que no solo expulsa electrones sino que también los hace girar, lograron extraer información completa del QGT.
Bohm Jung Yang, colaborador de la Universidad Nacional de Seúl, analizó los mismos datos para obtener las partes del QGT que funcionan como una «regla» para medir distancias cuánticas. «Nadie había observado realmente su presencia antes», explica Yang sobre el tensor geométrico cuántico.
Aplicaciones revolucionarias: superconductores del futuro
El descubrimiento podría ser clave para desarrollar superconductores prácticos que funcionen a temperatura ambiente y presión atmosférica normal. Estos materiales revolucionarios podrían:
- Reemplazar cables tradicionales con conductores sin pérdida de energía
- Crear dispositivos electrónicos miles de veces más eficientes
- Transformar la infraestructura energética global
Päivi Törmä de la Universidad Aalto en Finlandia, quien lidera el consorcio SuperC que busca lograr un avance en superconductores para 2033, explica: «En superconductores tenemos un potencial científico y tecnológico enorme que, en mi opinión, ha sido subestimado».
El papel del grafeno retorcido
En 2022, el equipo de Törmä fue el primero en usar la geometría cuántica para explicar por qué las capas apiladas y retorcidas de grafeno pueden superconducir. Según la teoría tradicional, estos materiales tienen «bandas planas» donde los electrones deberían permanecer inmóviles, como si existieran en un paisaje perfectamente plano sin colinas por las que rodar.
Sin embargo, cuando las capas de grafeno se tuercen en el ángulo correcto, las funciones de onda de los electrones se superponen lo suficiente para remodelar su mundo cuántico. Aparecen «puentes» en el paisaje cuántico que conectan electrones previamente separados, permitiendo que se acoplen y formen supercorrientes.
Más allá de la superconductividad
La geometría cuántica también podría explicar otros efectos exóticos, incluyendo:
- Efecto Hall anómalo: electrones que se desvían lateralmente como si fueran empujados por una fuerza magnética invisible
- Corrientes fotoinducidas: materiales que se llenan de corrientes cuando se iluminan
- Control direccional de corrientes: útil para diseñar transistores más eficientes
Anatoli Polkovnikov de la Universidad de Boston ve aplicaciones aún más amplias: «Empecé a ver geometría cuántica en todas partes. Simplemente aparece en todos los aspectos de la física».
El futuro del diseño de materiales
Con estos nuevos mapas cuánticos, los científicos esperan poder diseñar materiales con propiedades específicas en lugar de depender únicamente de la intuición experimental. Como explica Törmä: «La mayoría de los superconductores que existen ahora han sido encontrados por la intuición de los experimentalistas. Si la geometría cuántica afecta positivamente la superconductividad, entonces podemos usarla como una herramienta de diseño».
El campo está creciendo tan rápidamente que Törmä admite: «Al principio, seguía cada artículo publicado. Ahora me he dado por vencida. Hay demasiado».
Un nuevo capítulo en la ciencia de materiales
Apenas estamos comenzando a explorar la topografía oculta del mundo cuántico dentro de los materiales. Estos primeros mapas representan solo el inicio de lo que podría ser una revolución en nuestra capacidad para entender y crear materiales con propiedades extraordinarias.
Desde superconductores que funcionan a temperatura ambiente hasta dispositivos electrónicos ultra-eficientes, el paisaje cuántico secreto que acabamos de aprender a ver podría albergar las claves para tecnologías que apenas podemos imaginar.
