En 1985, un grupo de físicos observó un fenómeno peculiar en sistemas atómicos: un “eco” que no viajaba por el aire, sino que aparecía cuando el sistema, tras ser perturbado, devolvía una señal de forma retardada. Era un comportamiento típico de sistemas cuánticos con memoria, como si la materia, por un instante, recordara su estado anterior. Desde entonces, se ha buscado ese tipo de eco en distintos materiales y contextos, pero siempre con limitaciones. Hoy, casi 40 años después, un equipo de científicos ha captado por primera vez un eco cuántico generado por un tipo especial de oscilación en un material superconductor. Y no es un eco cualquiera: se trata de un eco vinculado a la coherencia de Higgs (ojo, no confundir con la partícula de Higgs), un concepto profundamente ligado al comportamiento colectivo de los electrones en ciertos materiales. ¿No te has enterado de nada? De eso va este artículo, de procurar que lo entiendas.
El hallazgo, publicado en la revista Science Advances, muestra cómo este eco cuántico puede revelar información fundamental sobre las propiedades internas de los superconductores, en particular sobre el modo de Higgs, una oscilación colectiva que, hasta hace poco, solo se había teorizado en este tipo de materiales. Lo más llamativo es que el fenómeno observado no requiere condiciones exóticas: se ha detectado en una película delgada de niobio, un superconductor bien conocido, utilizando pulsos de luz en el rango del terahercio. Esto abre nuevas vías para explorar la materia cuántica desde ángulos antes inaccesibles.
El eco que no viaja, pero sí aparece
Lo que se ha descubierto no es un eco en el sentido convencional. No se trata de una onda sonora reflejada, sino de una señal que emerge dentro del sistema mismo, generada por una secuencia específica de pulsos de luz que excitan la materia. En este caso, se utilizaron tres pulsos de terahercios (THz) dirigidos sobre una película de niobio a baja temperatura. El primero activa el sistema, el segundo interfiere con su evolución y, el tercero, permite que emerja la señal del eco.
Este eco cuántico es especial porque no surge simplemente por relajación o respuesta retardada. Aparece debido a la interferencia en un tipo de oscilación llamada modo de Higgs, una fluctuación colectiva del orden en un superconductor. Tal como señalan los autores, “el eco cuántico observado surge de la dinámica coherente del modo de Higgs bajo la excitación por múltiples pulsos de THz”. Lo que están observando no es solo una respuesta óptica: es una manifestación de cómo las oscilaciones internas del material pueden almacenarse y recombinarse para producir una nueva señal.
¿Qué es el modo de Higgs?: explicación sencilla con metáforas
Para entender qué es el modo de Higgs en un superconductor, primero hay que pensar en cómo se comportan los electrones cuando estos materiales están en su estado especial, sin resistencia eléctrica. En condiciones normales, los electrones se mueven desordenadamente y chocan con los átomos del material, generando calor. Pero en un superconductor, los electrones forman parejas muy estables (llamadas pares de Cooper) y se mueven de forma sincronizada, como si fueran parte de una sola onda gigante.
El modo de Higgs es una oscilación en la “intensidad” de esa onda colectiva que forma el estado superconductor. Si imaginamos que ese estado es como una cuerda tensa que vibra, el modo de Higgs no cambia la dirección de la cuerda, sino la altura de sus subidas y bajadas, es decir, cómo de grandes son las vibraciones sin que cambie hacia dónde se mueve. Eso es lo que los físicos llaman “amplitud”. No estamos hablando de una partícula concreta que se desplaza, sino de un tipo especial de vibración interna del sistema, una oscilación del orden invisible que sostiene al superconductor.
Este fenómeno se llama así porque se parece al comportamiento del campo de Higgs en física de partículas, el mismo que da masa a otras partículas en el universo. Aunque no es el mismo Higgs del bosón famoso, ambos comparten una característica fundamental: son modos de oscilación que surgen cuando un sistema tiene un orden oculto que puede vibrar sin destruirse. Esa analogía ayuda a entender por qué se usan los mismos términos en contextos tan distintos.
¿Qué es la coherencia de Higgs y por qué importa?
La “coherencia de Higgs” hace referencia a la capacidad del modo de Higgs para mantener un estado ordenado a lo largo del tiempo, sin perder información por la interacción con otras partículas. Este tipo de coherencia es un fenómeno cuántico colectivo, como ya se ha adelantado. No pertenece a un solo electrón, sino al sistema completo de electrones emparejados (pares de Cooper) que caracterizan al estado superconductor.
En la mayoría de los materiales, esta coherencia se pierde rápidamente, lo que hace que sea difícil estudiarla o aprovecharla. Sin embargo, en el experimento con niobio, los autores logran mantener y leer esa coherencia mediante pulsos de luz cuidadosamente diseñados. En sus palabras, “este eco cuántico no convencional revela la naturaleza coherente intrínseca del modo de Higgs y su diferencia respecto a la dinámica incoherente de las cuasipartículas”. Esto significa que, por primera vez, han podido separar la respuesta del Higgs de otros efectos que normalmente la enmascaran.
Lo que está en juego aquí no es solo un fenómeno exótico, sino una herramienta para distinguir entre los distintos componentes que forman la respuesta de un material superconductor. Y eso es fundamental si queremos desarrollar tecnologías basadas en superconductores más eficientes, o incluso diseñar materiales nuevos con propiedades cuánticas específicas.
El papel del niobio y los pulsos en el rango de los terahercios
El experimento se llevó a cabo sobre una película delgada de niobio, un superconductor convencional que ha sido ampliamente estudiado. ¿Por qué niobio? Porque ofrece un entorno estable y bien conocido para buscar este tipo de señales sutiles. Además, su temperatura crítica y sus propiedades ópticas lo hacen adecuado para los pulsos en el rango de los terahercios que se usan en estos estudios.
Los pulsos de luz utilizados tienen duraciones ultracortas, de apenas unos pocos ciclos de onda. Esto permite excitar la materia sin calentarla o destruir su estructura interna. En la práctica, lo que se hace es “tocar” el material con luz como si se tratara de un instrumento musical, pero uno que responde con oscilaciones cuánticas.
El eco aparece cuando el tercer pulso capta la interferencia entre los dos anteriores, provocando que el sistema devuelva una señal que, de otro modo, no estaría presente. Este comportamiento requiere que la coherencia cuántica del modo de Higgs se mantenga entre los pulsos, lo cual ya es en sí un logro experimental notable. Como resumen el artículo, “el eco solo aparece si se conserva la coherencia de Higgs entre los pulsos”.
Una puerta a nuevas tecnologías cuánticas
Aunque este descubrimiento es todavía ciencia básica, sus implicaciones apuntan a desarrollos futuros. Una de las posibilidades es que estos ecos cuánticos puedan utilizarse como una forma de almacenamiento o lectura de información cuántica, algo que sería relevante para la computación cuántica o los sensores cuánticos de alta precisión.
También se abre la posibilidad de estudiar cómo se comportan otros modos colectivos en materiales complejos, incluyendo los superconductores no convencionales, los materiales topológicos o los sistemas fuertemente correlacionados. El hecho de que este tipo de eco permita separar la contribución del modo de Higgs de otras señales puede ayudar a desarrollar técnicas más precisas de caracterización de materiales.
Según los investigadores, este avance también puede servir para investigar si otros tipos de coherencias —no solo la del Higgs— pueden ser manipuladas de forma parecida. Eso permitiría explorar nuevos estados de la materia cuántica que todavía no han sido detectados.
Más allá del hallazgo: lo que revela sobre la materia
Uno de los aspectos más interesantes de este estudio es que muestra cómo la materia puede tener “memoria” cuántica de eventos pasados, y cómo esa memoria se manifiesta de forma concreta en un laboratorio. No se trata de una predicción teórica, sino de un efecto medido con instrumentos reales.
Esto desafía la idea de que los estados cuánticos son siempre efímeros o imposibles de controlar. La coherencia del Higgs, en este caso, demuestra que con la configuración adecuada es posible sostener y recuperar información cuántica de forma coherente en materiales macroscópicos. Como señalan los autores: “nuestro descubrimiento ofrece una herramienta poderosa para aislar la respuesta del modo de Higgs“, una afirmación que deja claro el potencial de esta técnica más allá del experimento concreto.
La física cuántica, en muchos casos, ha sido criticada por su lejanía con la vida cotidiana. Este tipo de experimentos ayuda a reducir esa distancia, al mostrar que los efectos cuánticos pueden ser detectados, manipulados y usados incluso en materiales conocidos, sin necesidad de condiciones extremas o tecnología exótica.
Lo que tienes que saber sobre el eco cuántico y la coherencia de Higgs
- El eco cuántico descubierto no es sonido, sino una señal generada por interferencia cuántica interna
- Se ha detectado en una película de niobio, un superconductor convencional, usando luz en el rango de los terahercios
- Está vinculado a la coherencia del modo de Higgs, una oscilación cuántica colectiva del sistema
- Este fenómeno permite separar señales del Higgs de otras respuestas del material
- Abre nuevas vías para explorar y controlar la materia cuántica a escala macroscópica
- Podría tener aplicaciones futuras en tecnologías cuánticas como sensores o almacenamiento
- Demuestra que la coherencia cuántica puede mantenerse y leerse en sistemas reales
- La técnica usada permite estudiar otras formas de coherencia en materiales complejos
- No se basa en predicciones teóricas: el eco ha sido medido experimentalmente
Referencias
- Cheng, Y., You, Y., Uchida, K., Wang, Y., Nishikawa, K., Katayama, I., … & Shimano, R. (2024). Discovery of an unconventional quantum echo by interference of Higgs coherence. Science Advances. https://doi.org/10.1126/sciadv.adss8740.
Cortesía de Muy Interesante
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