Un avance cuántico permite que la luz se comporte como un sólido y un líquido a temperatura ambiente

Científicos de la Universidad de Varsovia han demostrado un extraordinario estado cuántico de la materia que combina propiedades que parecen incompatibles. Conocido como supersólido, este estado inusual presenta la estructura ordenada de un cristal mientras muestra el flujo sin fricción asociado con un tipo especial de líquido. Aún más notable es que los investigadores han observado este comportamiento a temperatura ambiente, eliminando la necesidad de los enfriamientos extremos tradicionalmente requeridos para investigar tales fenómenos.

El avance fue logrado por un equipo internacional de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, la Universidad Militar de Tecnología (Polonia), IBM Research Zurich y el Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS). En lugar de depender de átomos enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto, los científicos crearon un supersólido utilizando partículas que combinan propiedades de la luz y la materia.

Publicados en Science Advances, los hallazgos introducen una nueva forma de investigar comportamientos cuánticos exóticos en condiciones mucho más accesibles. También podrían ayudar a avanzar en futuras tecnologías que van desde la computación óptica hasta sensores altamente sensibles.

¿Cómo puede la materia comportarse como un sólido y un líquido?

En circunstancias ordinarias, los sólidos y los líquidos se comportan de manera muy diferente. Los cristales tienen una estructura interna organizada, con sus partículas dispuestas en patrones repetitivos. En cambio, los líquidos pueden fluir y cambiar de forma. Sin embargo, la física cuántica permite que la materia se comporte de maneras imposibles bajo las reglas familiares de la vida cotidiana.

Un ejemplo es la superfluidez, un fenómeno extraordinario en el que un fluido pierde su viscosidad, o resistencia interna al flujo. Un superfluido puede moverse a través de pasajes extremadamente estrechos sin experimentar la fricción habitual. Durante la década de 1960, los físicos propusieron la posibilidad aún más extraña de que un superfluido pudiera desarrollar la estructura interna repetitiva normalmente asociada con un cristal.

Esta combinación hipotética se conoció como supersólido. En tal estado, el material exhibe la organización espacial de un sólido mientras retiene las notables propiedades de flujo de un superfluido. Durante décadas, la supersolididad permaneció como un concepto teórico hasta que se confirmó experimentalmente en 2017, cuando investigadores observaron el fenómeno en condensados de Bose-Einstein ultracálidos.

Creando un supersólido cuántico utilizando luz en lugar de átomos fríos

El consorcio internacional TopoLight abordó el desafío de una manera diferente. En lugar de usar átomos ultracálidos, los investigadores trabajaron con partículas híbridas inusuales llamadas polariton excitónicos. Estas cuasipartículas surgen cuando la luz interactúa tan fuertemente con la materia que ambas se acoplan dentro de una pequeña cámara óptica llamada microcavidad. Los polaritones excitónicos son extremadamente efímeros, típicamente sobreviviendo solo unos pocos picosegundos.

Para crear las condiciones necesarias, el equipo construyó una microcavidad óptica que contenía un cristal líquido especialmente diseñado y lo cubrió con un semiconductor orgánico. Este arreglo permitió que la luz y la materia interactuaran lo suficientemente fuerte como para producir los efectos cuánticos deseados sin la necesidad de enfriamientos extremos.

"Nuestras microcavidades de cristal líquido pueden operar incluso a temperaturas cercanas a los 60 °C", afirma el Profesor Wiktor Piecek de la Universidad Militar de Tecnología, cuyo grupo desarrolló las estructuras de cristal líquido. Esa temperatura es aproximadamente 140 °F, muy por encima de las condiciones de congelación normalmente asociadas con experimentos que involucran materia cuántica exótica.

Patrones extraños de luz revelan un supersólido

¿Cómo pueden los investigadores determinar si un conjunto de partículas ha ingresado a un estado tan inusual? En este experimento, la evidencia apareció en la luz emitida por la muestra. Cuando el sistema transitó a la fase de supersólido, los investigadores observaron una serie de franjas brillantes espaciadas regularmente.

Estos patrones indicaron que el condensado de partículas había desarrollado espontáneamente una variación repetitiva en su densidad. Este tipo de organización espacial es una característica definitoria de las estructuras cristalinas y un signo importante de la supersolididad.

Sin embargo, los investigadores notaron otro efecto intrigante. Cada vez que un pulso láser excitaba la muestra, las franjas brillantes aparecían en una posición diferente. En lugar de seguir un arreglo fijo, el sistema cuántico seleccionaba repetidamente entre varias configuraciones igualmente posibles.

"Este es un ejemplo clásico de ruptura de simetría espontánea", explica el Profesor Guillaume Malpuech del Institut Pascal (CNRS). La ruptura de simetría espontánea ocurre cuando un sistema que podría existir en varios arreglos equivalentes se asienta en una configuración particular.

El condensado también mostró otra característica inusual llamada hélice de espín persistente, que se refiere a una variación repetitiva en la polarización de la luz emitida. Juntas, estas observaciones revelaron dos formas diferentes de orden que ocurrían al mismo tiempo.

Un experimento difícil con solo horas para tener éxito

Lograr estos resultados requirió superar un obstáculo práctico inesperado. El semiconductor orgánico utilizado en el dispositivo reaccionó gradualmente con el cristal líquido, lo que limitó la vida útil útil de las muestras experimentales, dando a los científicos solo unas pocas horas para recopilar sus mediciones después del ensamblaje.

Las mediciones más importantes se llevaron a cabo en IBM Research Zurich. Allí, los científicos depositaron capas delgadas del semiconductor orgánico en estructuras especializadas diseñadas para manipular la luz. El semiconductor en sí no era nuevo para los investigadores, quienes habían investigado sus propiedades cuánticas durante años.

La importancia del descubrimiento va más allá de demostrar otro fenómeno inusual predicho por la física cuántica. Muchos experimentos que involucran estados cuánticos exóticos dependen de costosos sistemas criogénicos diseñados para mantener temperaturas cercanas al cero absoluto. Estas condiciones exigentes complican la investigación y pueden crear obstáculos sustanciales cuando los científicos intentan convertir los descubrimientos de laboratorio en tecnologías útiles.

Los nuevos resultados muestran que ciertos efectos cuánticos exóticos pueden investigarse en dispositivos fotónicos que operan a temperaturas ordinarias. Esto podría crear oportunidades para tecnologías futuras que utilicen luz para procesar información. Las aplicaciones potenciales incluyen dispositivos fotónicos ultrarrápidos y sensores ópticos avanzados.

Materia cuántica controlada eléctricamente abre nuevas posibilidades

Una de las características más prometedoras del experimento es que el dispositivo óptico puede ajustarse mediante electricidad. Las microcavidades de cristal líquido proporcionan la primera plataforma eléctricamente ajustable para estudiar condensados de excitón-polaritón supersólidos, lo que significa que los investigadores pueden alterar las propiedades ópticas del sistema aplicando un voltaje externo.

Al combinar la operación a temperatura ambiente con la sintonización eléctrica, los investigadores han establecido una plataforma versátil para explorar fenómenos cuánticos que anteriormente requerían condiciones experimentales mucho más exigentes.

Lectura rápida

¿Qué descubrieron los científicos?
Un nuevo estado cuántico llamado supersólido que combina propiedades de sólidos y líquidos a temperatura ambiente.

¿Quién realizó el descubrimiento?
Un equipo internacional de la Universidad de Varsovia, la Universidad Militar de Tecnología, IBM Research Zurich y el CNRS.

¿Cuándo se hizo el anuncio?
El 9 de noviembre de 2026.

¿Dónde se llevó a cabo la investigación?
En varias instituciones, incluyendo la Universidad de Varsovia y IBM Research Zurich.

¿Por qué es importante este hallazgo?
Podría revolucionar tecnologías de computación y sensores ópticos al operar a temperatura ambiente.