A veces, los fenómenos más extraños no aparecen en laboratorios futuristas o simulaciones teóricas imposibles de entender. A veces, basta con enfocar un rayo de luz en un material para descubrir que la realidad se comporta de una forma que nadie esperaba. Eso es exactamente lo que le ha ocurrido a un equipo de investigadores que, mientras trabajaban con un cristal peculiar, se toparon con un efecto cuántico que nadie había visto antes en un material de este tipo. Lo más desconcertante es que, aunque han conseguido medirlo con precisión, aún no saben por qué sucede.
Este hallazgo, publicado en Nature Communications, ha sido liderado por el físico M. Zahid Hasan y su equipo en la Universidad de Princeton. En el corazón del experimento se encuentra el material KV₃Sb₅, una red cristalina con estructura kagome, conocida por su geometría triangular entrelazada. Durante años, este material se consideraba simétrico, sin distinción entre derecha e izquierda. Pero lo que ha revelado este nuevo estudio es que, en determinadas condiciones, el material se comporta como si desarrollara una “mano” cuántica propia, una especie de “quiralidad emergente” que desafía los modelos existentes.
Cuando la materia elige un lado
El concepto de quiralidad o “mano” en física se refiere a que algo no puede superponerse con su imagen especular, como ocurre con las manos humanas. Aunque puede sonar abstracto, la quiralidad está presente en muchos aspectos del mundo natural: desde la doble hélice del ADN hasta la estructura de ciertos cristales. Pero lo que hace único este descubrimiento es que se ha detectado una quiralidad en un sistema que, hasta ahora, se creía perfectamente simétrico.
En este estudio, los investigadores observaron que al enfriar el material KV₃Sb₅ por debajo de una determinada temperatura crítica, este comenzaba a modular su densidad electrónica de forma espontánea, generando lo que se conoce como una onda de densidad de carga. Este tipo de fase ordenada no es nueva en física, pero sí lo es su comportamiento en este material: la onda de carga rompía la simetría del sistema de forma muy específica. Como explican los autores del artículo, “la corriente fotoinducida generada bajo luz circular polarizada izquierda es mayor que con luz polarizada derecha”, lo que constituye una evidencia directa de quiralidad.
El instrumento que hizo visible lo invisible
Detectar estas simetrías rotas no ha sido tarea fácil. Para lograrlo, el equipo diseñó y utilizó un instrumento muy poco común: un microscopio de fotocorriente por escaneo (SPCM) que trabaja con luz infrarroja. A diferencia de los microscopios de efecto túnel (STM), que permiten visualizar estructuras atómicas, el SPCM está pensado para estudiar cómo responden los materiales a la luz, en particular en lo que se refiere a la fotocorriente, es decir, la corriente eléctrica que se genera al iluminar un material.
El experimento consistió en brillar luz circularmente polarizada sobre el cristal y medir la corriente eléctrica generada, comparando los resultados con luz polarizada a derecha y a izquierda. El resultado fue inequívoco: había una diferencia medible, lo que indica que el sistema había adquirido una preferencia de giro, algo que no debería ocurrir en un material simétrico. Esta diferencia se conoce como efecto fotogalvánico circular longitudinal (CPGE), un fenómeno de segundo orden que indica la ruptura simultánea de las simetrías de inversión y espejo del sistema.
Según detallan los autores, “nuestro estudio ilumina las simetrías del orden de carga no convencional en KV₃Sb₅ y sienta las bases para comprender mejor el parámetro de orden en estas fases”.
Un efecto que aparece y desaparece con la temperatura
Una parte clave del descubrimiento es que este efecto cuántico solo aparece por debajo de una cierta temperatura, lo que indica que se trata de una fase emergente. A temperaturas superiores a 100 K, el material no muestra ninguna preferencia: se comporta como cualquier otro sistema simétrico. Pero al enfriarse, el efecto CPGE se activa, y la corriente generada empieza a mostrar un sesgo claro hacia una de las dos polarizaciones de luz.
Esto fue confirmado al analizar cómo evolucionaba la corriente a distintas temperaturas. Los investigadores encontraron que la componente quiral del efecto CPGE desaparecía bruscamente al superar la temperatura crítica, mientras que otras componentes independientes de la polarización variaban de forma gradual, lo que permitió descartar efectos térmicos como causa del fenómeno.
En palabras del artículo: “ICPGE sigue una ley de potencias por debajo de una temperatura crítica (T ≈ 95 ± 10 K) y se satura a bajas temperaturas con una magnitud de 3 nA*”. Esta precisión en la medición refuerza aún más la idea de que estamos ante una nueva forma de orden cuántico inducido por simetrías rotas.
Romper simetrías para entender mejor el universo
¿Por qué es tan importante romper simetrías en física? Porque muchas de las propiedades emergentes de la materia —como el magnetismo, la superconductividad o las fases topológicas— surgen precisamente cuando los sistemas dejan de comportarse de forma simétrica. Detectar qué simetrías se rompen, y cómo, es una herramienta esencial para comprender los mecanismos cuánticos que operan en estos materiales.
En este caso, lo que se rompe no es solo la simetría espacial (izquierda-derecha), sino también la de inversión y los planos de espejo. Estas rupturas no son arbitrarias: obedecen a reglas estrictas que se pueden modelar mediante la teoría de Landau y los tensores que describen el efecto CPGE. Los autores explican que “para observar las fotocorrientes no nulas reportadas en este estudio eβzz, deben romperse todos los planos de simetría en las fases correlacionadas de KV₃Sb₅”, lo que implica un grado de complejidad estructural sin precedentes en estos materiales.
Lo fascinante es que, a pesar de toda esta evidencia experimental, no existe aún una teoría completa que explique el origen del fenómeno. Según Hasan, “confirmamos el fenómeno, pero aún no tenemos una teoría rigurosa de por qué ocurre”, lo que abre un nuevo campo de exploración para la física de la materia condensada.
Confirmamos el fenómeno, pero aún no tenemos una teoría rigurosa de por qué ocurre
M. Zahid Hasan
Más allá de la física fundamental: aplicaciones futuras
Aunque el estudio tiene un fuerte componente teórico y experimental, sus implicaciones podrían extenderse a campos aplicados, como la optoelectrónica y la tecnología fotovoltaica. La posibilidad de controlar la dirección de la corriente mediante luz polarizada sugiere usos en dispositivos cuánticos sensibles a la polarización, o incluso en nuevos tipos de sensores ópticos.
El hecho de que este comportamiento emergente sea tan sensible a la temperatura y a la orientación de la luz podría servir también como base para conmutadores cuánticos o dispositivos de memoria en condiciones extremas. Además, el uso del efecto CPGE como herramienta diagnóstica ofrece una nueva vía para estudiar materiales donde las técnicas convencionales no pueden detectar simetrías rotas tan sutiles.
Los investigadores concluyen que su enfoque “puede servir como una herramienta poderosa para detectar simetrías intrínsecas rotas que dan lugar a órdenes electrónicos quirales”, una afirmación que deja claro que esto no es un experimento aislado, sino el inicio de una nueva línea de investigación en física cuántica avanzada.
Referencias
- Zi-Jia Cheng, Md Shafayat Hossain, Qi Zhang, Sen Shao, Jinjin Liu, Yilin Zhao, Mohammad Yahyavi, Yu-Xiao Jiang, Jia-Xin Yin, Xian Yang, Yongkai Li, Tyler A. Cochran, Maksim Litskevich, Byunghoon Kim, Junyi Zhang, Yugui Yao, Luis Balicas, Zhiwei Wang, Guoqing Chang, M. Zahid Hasan. Broken symmetries associated with a Kagome chiral charge order. Nature Communications (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58262-y.
Cortesía de Muy Interesante
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