No todos los descubrimientos revolucionarios en física vienen acompañados de grandes instalaciones o complejos experimentos. A veces, una idea inesperadamente simple puede cambiar la manera en que entendemos algo tan cotidiano como el magnetismo. El reciente trabajo de un equipo internacional de físicos ha demostrado que, bajo ciertas condiciones, puede surgir una cuasipartícula cuántica que hasta ahora solo se creía posible en pareja: el espinón solitario.
Este hallazgo, publicado en la prestigiosa revista Physical Review Letters, no solo resuelve un viejo misterio de la física del estado sólido, sino que también abre la puerta a aplicaciones futuras en computación cuántica y materiales magnéticos avanzados. Según explican los autores del estudio, han logrado mostrar que un solo espinón puede surgir de manera controlada en un modelo teórico conocido como la cadena de Heisenberg unidimensional. Hasta ahora, siempre se pensó que estas excitaciones solo podían observarse en pares. El hecho de que se haya identificado uno en solitario representa un cambio de paradigma.
Una partícula que no es una partícula
En física cuántica, hay entidades que no son partículas en el sentido clásico, pero que se comportan como si lo fueran. Se les llama cuasipartículas, y el espinón es una de ellas. Se trata de una excitación que transporta espín —una propiedad cuántica análoga al momento angular— sin carga eléctrica. Es decir, una especie de “fragmento” del electrón, que mantiene su espín pero no su carga.
Lo interesante es que este espinón aparece en materiales magnéticos muy específicos, particularmente en aquellos donde los electrones interactúan fuertemente entre sí. En estos entornos, los efectos cuánticos son tan intensos que el comportamiento colectivo de los electrones da lugar a fenómenos completamente nuevos, como si el electrón se partiera en componentes separados. El espinón representa uno de esos componentes, y su estudio ha sido durante décadas un desafío tanto teórico como experimental.
El modelo que permitió “ver” al espinón solitario
Para entender cómo surge este fenómeno, los investigadores utilizaron un modelo teórico bien conocido: la cadena de Heisenberg antiferromagnética unidimensional. En este sistema, los espines de los electrones se alternan en orientación —uno hacia arriba, otro hacia abajo— y se encuentran en un estado de entrelazamiento cuántico. Este modelo fue resuelto matemáticamente por Hans Bethe en 1931, pero muchas de sus implicaciones físicas se han ido comprendiendo lentamente.
El nuevo avance consiste en aplicar una técnica sencilla pero poderosa: añadir un espín extra a la cadena en su estado fundamental, es decir, sin alterar sus condiciones iniciales. Sorprendentemente, este pequeño cambio es suficiente para generar una excitación que se comporta como un espinón solitario, con todas las características que se esperaban de esta cuasipartícula, incluida su peculiar dispersión energética.
Según los autores, “demostramos cómo se puede excitar un solo espinón añadiendo un espín extra al estado fundamental“. Esta estrategia no requiere manipulaciones complicadas ni supuestos irreales, lo que refuerza su relevancia como herramienta conceptual y posiblemente experimental.
Una nueva forma de interpretar el magnetismo
Durante mucho tiempo, el espinón se entendía como una consecuencia inevitable de ciertas excitaciones magnéticas, pero siempre apareciendo en pares. Lo que cambia con este estudio es la posibilidad de generar y describir un espinón aislado, lo que permite una interpretación más clara de su naturaleza.
El trabajo también derriba una imagen muy difundida en la literatura científica: la idea de que un espinón puede visualizarse como un “muro de dominio” que se mueve en una red magnética ordenada tipo Néel. Los autores afirman con claridad que “esta imagen popular no es válida para el espinón”. En cambio, proponen una visión más precisa en la que el espinón se mueve como un espín solitario en un estado de enlace valente, un tipo de configuración en la que los espines están emparejados en una disposición regular pero cuánticamente entrelazada.
La clave está en el entrelazamiento cuántico del estado fundamental. El comportamiento del espinón no es el resultado de la excitación en sí, sino de la estructura profunda del estado inicial, lo que lleva a una conclusión importante: las propiedades de las cuasipartículas están determinadas por el tipo de correlaciones cuánticas presentes en el sistema base.
Una dispersión sorprendente con límites inesperados
Otro hallazgo destacado del estudio es la peculiar dispersión energética del espinón solitario, es decir, cómo varía su energía con el momento. A diferencia de muchas otras partículas o cuasipartículas, el espinón solo puede existir en la mitad del espacio de momentos permitido. Esta limitación no es arbitraria: se debe a que, en ciertas regiones, la norma de su función de onda tiende a cero, lo que significa que simplemente no puede existir en esas condiciones.
Según el artículo, “la dispersión del espinón solo se sostiene en la mitad del primer zona de Brillouin” y esta peculiaridad surge del entrelazamiento cuántico presente en el estado base del sistema. Esta observación no es solo una curiosidad matemática, sino un indicador de cuán profundamente conectadas están las propiedades del espinón con la estructura del sistema que lo genera.
Además, la relación entre energía y momento del espinón es lineal en bajas energías, algo característico de partículas relativistas como los fotones. Esto refuerza su carácter fundamental y plantea preguntas interesantes sobre su papel en otros sistemas cuánticos más complejos.
Confirmación experimental y caminos futuros
Aunque el trabajo de Kulka, Panfil, Berciu y Wohlfeld es teórico, sus predicciones ya han sido respaldadas por resultados experimentales. Un equipo independiente logró observar una onda estacionaria de espinón solitario en una cadena de espines basada en nanografeno, utilizando técnicas avanzadas como la microscopía de efecto túnel.
Esta validación directa es un paso fundamental que muestra que la física de espinones solitarios no es solo una curiosidad teórica, sino una realidad accesible en sistemas reales. La posibilidad de generar, manipular y estudiar estos estados en el laboratorio abre nuevas oportunidades para la computación cuántica, el diseño de materiales con propiedades magnéticas únicas y la exploración de estados cuánticos exóticos.
En palabras de los autores, “este procedimiento es universal y puede aplicarse a cualquier modelo de espín unidimensional”. Incluso sugieren que el método podría extenderse a sistemas de mayor dimensión, aunque esto aún requiere investigación adicional.
Una pieza más del complejo rompecabezas cuántico
El descubrimiento del espinón solitario no solo completa una imagen teórica que llevaba décadas formándose, sino que también sirve como ejemplo de cómo la física cuántica continúa desafiando nuestras intuiciones. Lo que parecía una limitación —la necesidad de pares de espinones— resultó ser solo una consecuencia de modelos incompletos o aproximaciones demasiado clásicas.
Este hallazgo sugiere una conclusión más general: las propiedades emergentes en sistemas cuánticos colectivos no pueden entenderse sin considerar su entrelazamiento. El espinón no es una entidad aislada, sino una manifestación del estado global del sistema.
Más allá de sus aplicaciones inmediatas, esta investigación ofrece una lección clave: la física cuántica no solo transforma nuestra tecnología, también transforma nuestra manera de pensar sobre la realidad.
Referencias
- Teresa Kulka, Miłosz Panfil, Mona Berciu y Krzysztof Wohlfeld. Nature of Spinons in 1D Spin Chains. Physical Review Letters, Vol. 134, 236504 (2025). https://doi.org/10.1103/stvg-lg9h.
Cortesía de Muy Interesante
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