Un nuevo estado de la materia podría revolucionar la tecnología cuántica

Investigadores de la Universidad de Brown y de la Universidad de Michigan lograron un avance significativo en la ciencia de materiales al crear y estabilizar un estado de la materia que hasta ahora solo había existido en modelos teóricos. Este nuevo material, obtenido mediante la disposición cuidadosa de partículas diminutas de plata, resuelve un antiguo enigma en la ciencia de materiales y presenta propiedades cuánticas a temperatura ambiente.

El trabajo, publicado en la revista Science, captura un estado estructural intermedio que aparece durante la transformación entre dos arreglos cristalinos comunes en metales. Además de revelar nuevos detalles sobre cómo ocurren estas transformaciones, el material recién creado muestra un comportamiento óptico inusual que podría ser útil para la computación cuántica y otras tecnologías de información cuántica.

El profesor Ou Chen, autor correspondiente de la investigación, comparó su trabajo con niños jugando con bloques de LEGO. "Sintetizamos bloques de construcción a nanoescala únicos y los apilamos en estructuras interesantes. En este caso, logramos estabilizar estas estructuras teóricas transitorias y demostrar propiedades ópticas cuánticas importantes", explicó.

Este estudio logró recrear y estabilizar estados estructurales fugaces utilizando nanopartículas de plata. Los materiales metálicos suelen organizar sus átomos en una de dos estructuras cristalinas: cúbica centrada en las caras (FCC) y cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Mientras que la estructura FCC tiene partículas empaquetadas de manera densa, la BCC es ligeramente menos densa, con partículas en las esquinas del cubo y una en el centro.

Algunos metales pueden cambiar entre estos arreglos al ser calentados. Por ejemplo, el hierro cambia de BCC a FCC a 912 grados Celsius. Sin embargo, los científicos han propuesto varias explicaciones sobre cómo ocurre esta transformación, siendo uno de los modelos más destacados el camino de Nishiyama-Wassermann, que predice una serie de estructuras intermedias efímeras que se forman durante la transición. Debido a su inestabilidad, estas fases intermedias han sido difíciles de observar directamente.

El estudio logró estabilizar estas estructuras transitorias mediante el uso de nanopartículas de plata. Tim Moore, coautor del estudio, comentó: "Los científicos de materiales se han preocupado por controlar la cantidad de FCC y BCC en sus metales durante mucho tiempo, pero las transiciones entre estas fases han sido difíciles de estudiar porque son tan inestables. Poder observar estas estructuras es un avance fundamental en la ciencia de materiales, lo que nos brinda un mayor control sobre la ingeniería de nanomateriales".

Para crear las nuevas estructuras, los investigadores sintetizaron nanopartículas de plata en forma de octaedros truncados, denominadas "mecons". Estas partículas, que tienen una geometría de 14 lados, se ensamblaron en estructuras ordenadas conocidas como superredes de nanopartículas.

Los investigadores ajustaron las condiciones de calentamiento durante la síntesis para producir mecons con diferentes grados de redondez y características cúbicas. Además, recubrieron las partículas con cadenas moleculares largas que actuaron como conectores, permitiendo que se ensamblaran en estructuras más grandes. Combinando observaciones de laboratorio con simulaciones por computadora detalladas, encontraron que estos recubrimientos moleculares desempeñaron un papel crítico en la estabilización de arreglos que coincidían con las estructuras transitorias predichas por el modelo de Nishiyama-Wassermann.

Al exponer las nuevas superredes de plata a la luz, los investigadores observaron signos de acoplamiento luz-materia profundo y fuerte, un fenómeno en el que los electrones dentro de las nanopartículas de plata oscilan en perfecta sincronía con las ondas de luz y se entrelazan cuánticamente. Estos efectos ópticos cuánticos suelen asociarse con temperaturas extremadamente bajas, sin embargo, el nuevo material mostró este comportamiento a temperatura ambiente.

Este hallazgo podría sentar las bases para el desarrollo de futuros materiales utilizados en computación cuántica, tecnologías de sensores y otros sistemas cuánticos avanzados. "Cada vez que se identifica un nuevo estado de la materia, emergen nuevas aplicaciones", concluyó Chen.