En 1929, los físicos John von Neumann y Eugene Wigner propusieron una idea que parecía más un experimento mental que una posibilidad real. Decían que, en ciertas condiciones especiales, una onda podía quedar atrapada en un lugar para siempre, sin disiparse ni escapar. Esa propuesta, conocida como estado ligado en el continuo (BIC, por sus siglas en inglés), ha intrigado a generaciones de científicos, pero siempre se consideró un fenómeno teórico, improbable en sistemas reales y aún menos en objetos tan simples como un único cilindro.
Décadas después, un equipo de investigadores coreanos ha conseguido lo que parecía imposible: demostrar experimentalmente un BIC en un resonador mecánico formado por un solo cilindro de cuarzo, sin recurrir a estructuras complejas ni materiales exóticos. Lo lograron con una configuración precisa de cilindros sólidos, que permite atrapar ondas mecánicas sin pérdida de energía. El hallazgo, descrito en un estudio publicado en 2025, rompe una barrera conceptual de casi un siglo y abre la puerta a tecnologías futuras en sensores, recolección de energía y comunicaciones.
Una onda atrapada dentro de un cilindro
Las ondas mecánicas suelen comportarse como cualquier otra forma de energía: tienden a disiparse. Si un objeto vibra, parte de esa energía se transmite al entorno, se atenúa y eventualmente desaparece. Esto ocurre incluso en dispositivos muy eficientes. Sin embargo, el equipo liderado por los investigadores Yeongtae Jang y Junsuk Rho logró un fenómeno radicalmente distinto: una onda que vibra dentro de un cilindro y no transmite nada de su energía al exterior.
Esto se conoce como estado ligado en el continuo, y lo novedoso del estudio es que se logró en un solo objeto compacto. El artículo explica que “estos modos ligados surgen en un sistema mecánico altamente ajustable hecho de cristales granulares cilíndricos” y que el secreto está en cómo se conectan los cilindros entre sí.
Al ajustar con precisión el punto de contacto entre los cilindros, los investigadores lograron que la onda dentro del cilindro adoptara un modo de vibración puramente rotacional. Esa forma particular de movimiento no se acopla con las ondas del exterior, lo que impide que la energía escape. Como afirma el paper, “logramos BICs en un resonador de tamaño finito, donde el resonador admite únicamente movimiento rotacional con desplazamiento tangencial en la frontera de contacto”.
El truco de la simetría: cuando la energía no tiene por dónde salir
Lo que hace que este fenómeno sea tan excepcional es que el cilindro no necesita una estructura externa para confinar la energía, algo que hasta ahora se consideraba imprescindible. Lo consigue gracias a lo que se denomina un BIC “protegido por polarización”.
En la práctica, esto significa que el campo de desplazamiento dentro del cilindro —la forma en que se mueve internamente— está orientado de manera ortogonal respecto a la dirección de propagación de la onda en el exterior. Esa alineación específica evita que se transfiera energía entre el interior y el entorno. Según el estudio, “los modos de oscilación puramente rotacionales del resonador son ortogonales tanto al eje de propagación de la onda como al contacto con los cilindros adyacentes”.
Este tipo de configuración se puede ajustar fácilmente en el laboratorio mediante desplazamientos muy pequeños en la posición de los cilindros. Uno de los logros técnicos del trabajo fue desarrollar una plataforma mecánica donde esos cambios se pueden realizar in situ, sin desmontar ni modificar la estructura.
Del cilindro solitario a la cadena: ondas que no se dispersan
Una vez demostrado que una onda puede quedar atrapada en un solo cilindro, los investigadores dieron el siguiente paso: conectaron varios cilindros para observar si podían formar una especie de “cadena de atrapamiento”. El resultado fue igualmente sorprendente.
Al unir estos cilindros en serie, la onda atrapada no solo no se disipó, sino que se extendió a lo largo de toda la cadena sin perder su forma ni su energía. Esta propagación sin dispersión dio lugar a lo que se denomina un banda ligada en el continuo (BBIC), un fenómeno que da origen a bandas planas de resonancia.
Tal como describe el artículo, “observamos bandas casi planas en una cadena periódica de resonadores BIC con simetría rota, mostrando resonancias sin dispersión y con alto Q en todos los resonadores”. Estas bandas planas son especialmente interesantes porque permiten mantener energía acumulada en múltiples puntos del sistema, algo útil para dispositivos de almacenamiento o transmisión precisa de señales.
Un sistema ajustable y de alta calidad
Una de las características más destacadas del sistema diseñado es su gran capacidad de ajuste y su eficiencia energética. El parámetro clave aquí es el factor de calidad o Q-factor, que mide cuánto tiempo puede mantenerse una oscilación sin perder energía. Cuanto más alto es este número, más eficiente es el sistema.
En los experimentos, los cilindros individuales y las cadenas completas lograron valores de Q superiores a 1000. Como señalan los autores, “estos son los Q-factores más altos observados hasta la fecha en sistemas mecánicos análogos a BICs”.
Además, el sistema es especialmente flexible. Solo hace falta desplazar ligeramente el punto de contacto de los cilindros para modificar el comportamiento de las ondas. Esto significa que, sin cambiar los materiales ni la geometría, se puede reconfigurar la forma en que el sistema interactúa con la energía.
Aplicaciones futuras: sensores, energía y más allá
Aunque se trata aún de una investigación fundamental, las posibles aplicaciones tecnológicas del hallazgo son muchas. El hecho de poder controlar y confinar energía sin pérdidas es clave en varias áreas de la ingeniería.
Por un lado, permite desarrollar sensores ultrasensibles, ya que un sistema que mantiene su energía durante más tiempo es más capaz de detectar pequeñas variaciones en su entorno. También se abren oportunidades en el campo de la recolección de energía, donde capturar y acumular energía mecánica con alta eficiencia es un desafío aún sin resolver del todo.
En comunicaciones, la posibilidad de transmitir señales sin dispersión tiene implicaciones claras para el desarrollo de nuevos dispositivos más precisos y eficientes. Y como apunta el propio artículo, “esta plataforma ofrece una hoja de ruta prometedora para estudiar la interacción entre no linealidad y estados ligados en el continuo”.
Una revolución desde lo básico
Que todo esto se haya logrado con un sistema de cilindros de cuarzo aparentemente simple hace que el descubrimiento sea aún más relevante. No se trata de un dispositivo basado en tecnología avanzada, sino de una estructura mecánica sólida y bien comprendida, manipulada con precisión.
El valor de este trabajo no está solo en la demostración de un fenómeno físico propuesto hace casi un siglo, sino en la forma en que se ha llevado a cabo: con medios accesibles, resultados reproducibles y una visión clara de futuras aplicaciones. La física de las ondas vuelve a sorprender, y esta vez lo hace desde lo esencial.
Referencias
- Yeongtae Jang, Seokwoo Kim, Dongwoo Lee, Eunho Kim, and Junsuk Rho. Bound States-to-Bands in the Continuum in Cylindrical Granular Crystals. Physical Review Letters 134, 136901 (2025). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.136901.
Cortesía de Muy Interesante
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