Físicos encuentran vórtices cuánticos que recuerdan a ‘La noche estrellada’ de Van Gogh: skyrmiones, las cuasipartículas exóticas que tienes que conocer

A veces, una imagen nos permite entender lo que las fórmulas no logran transmitir. Eso mismo pensó el físico Hiromitsu Takeuchi cuando vio los resultados de un experimento reciente y no pudo evitar comunicar a la prensa que tuvo que recordar el cielo en espiral de La noche estrellada, el famoso cuadro de Vincent van Gogh. No es que el pintor neerlandés hubiera intuido la física cuántica, pero las formas en forma de remolino que aparecen en su obra se asemejan de forma asombrosa a las estructuras creadas por un tipo de inestabilidad nunca antes observada directamente en sistemas cuánticos.

La investigación, publicada en Nature Physics por un equipo internacional liderado por la Universidad Metropolitana de Osaka y el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, logró observar por primera vez la llamada inestabilidad de Kelvin–Helmholtz en fluidos cuánticos. A partir de este fenómeno surgieron unas estructuras nunca vistas, conocidas como skyrmiones fraccionarios excéntricos, que se organizan en forma de media luna. La analogía visual con la pintura de Van Gogh no es más que una anécdota, pero ayuda a explicar una investigación técnicamente compleja que podría tener implicaciones en áreas como la espintrónica y las tecnologías cuánticas.

Un viejo fenómeno, por primera vez en el mundo cuántico

En el mundo clásico, la inestabilidad de Kelvin–Helmholtz (KHI, por sus siglas en inglés) es un fenómeno bien conocido: aparece cuando dos fluidos se deslizan uno sobre otro a distintas velocidades, generando patrones ondulados y vórtices. Es lo que ocurre cuando el viento agita la superficie del mar o cuando se forman nubes con formas onduladas. Pero hasta ahora, nadie había conseguido observar esta misma inestabilidad en un sistema cuántico real.

Para lograrlo, el equipo enfrió átomos de litio hasta temperaturas cercanas al cero absoluto. De esta forma crearon un condensado de Bose-Einstein multicomponente, una forma de materia en la que las partículas se comportan como una sola entidad cuántica. Hicieron fluir dos corrientes a velocidades distintas dentro de ese superfluido, lo que provocó inestabilidades en su interfaz. Lo interesante es que lo que emergió no fue una copia exacta del comportamiento clásico: los patrones ondulados evolucionaron en estructuras regidas por las reglas de la mecánica cuántica y la topología.

En palabras del artículo, los investigadores describen que “la inestabilidad cuántica de Kelvin–Helmholtz genera una textura de espín con vorticidad localizada” que da lugar a configuraciones topológicas estables. Esto quiere decir que las perturbaciones no se disipan fácilmente, sino que adoptan formas robustas y persistentes en el tiempo.

Qué es un skyrmion y por qué importa

Los skyrmiones no son partículas fundamentales como los electrones o los protones. En realidad, son cuasipartículas, es decir, estructuras emergentes que se comportan como si fueran partículas dentro de ciertos materiales o sistemas. Tienen una configuración estable y se definen topológicamente, lo que significa que sus propiedades se mantienen aunque el entorno cambie de forma continua.

Originalmente, los skyrmiones fueron propuestos en la física de partículas por Tony Skyrme en los años 60, como modelos para entender ciertas propiedades de los bariones. Pero su uso se ha extendido a otras áreas como la física del estado sólido, donde se han observado en materiales magnéticos, cristales líquidos e incluso en superconductores. En estos contextos, han despertado gran interés por su potencial en memorias magnéticas de alta densidad y dispositivos de espintrónica.

Lo novedoso del estudio es que los skyrmiones observados en este experimento no siguen las formas habituales. El artículo los define como skyrmiones fraccionarios excéntricos, debido a que tienen una forma asimétrica, similar a una media luna. Además, presentan singularidades embebidas: puntos donde la estructura del espín colapsa y da lugar a distorsiones muy marcadas. Según explican los autores, este tipo de skyrmiones “poseen una estructura de espín singular y fraccionaria que no encaja en las clasificaciones topológicas tradicionales” .

Este hallazgo no solo enriquece el catálogo de configuraciones topológicas conocidas, sino que podría abrir la puerta a nuevas aplicaciones tecnológicas, al permitir el diseño de sistemas cuánticos con propiedades específicas y controladas.

Cómo se descubrieron y por qué se parecen al cielo de Van Gogh

Una de las claves del experimento fue la capacidad de los investigadores para controlar con precisión el sistema. Usaron una trampa óptica para contener el condensado de litio, y aplicaron gradientes de velocidad muy controlados para provocar la inestabilidad. Mediante imágenes tomadas con técnicas avanzadas de absorción, pudieron visualizar la formación de los vórtices y seguir su evolución.

En los resultados, apareció una secuencia clara: primero, un patrón de ondulaciones en la frontera entre los dos componentes del superfluido; luego, la formación de estructuras curvas que crecían en tamaño; y finalmente, la consolidación de los skyrmiones excéntricos. Estos se organizaron en patrones complejos, con forma de gajos o medias lunas.

Esta forma fue lo que llevó a Takeuchi a pensar en Van Gogh. En declaraciones a la prensa, dijo que “la gran luna creciente en la esquina superior derecha de La noche estrellada se parece exactamente a un skyrmion excéntrico”. Aunque no se trata de una comparación científica, sí permite al público no especializado hacerse una idea intuitiva de la forma de estas estructuras. La comparación también ayuda a mostrar cómo ciertas configuraciones pueden surgir tanto en el arte como en la naturaleza, aunque su origen y explicación sean completamente distintos.

Implicaciones futuras y desafíos pendientes

El trabajo no solo representa un logro experimental importante, sino que plantea preguntas teóricas fundamentales. La existencia de skyrmiones con estas características obliga a revisar las clasificaciones topológicas actuales, que hasta ahora no contemplaban singularidades embebidas de este tipo. Como señalan los autores, “estos objetos topológicos amplían el espacio de soluciones posibles en sistemas multicomponentes” .

Además, el hecho de que puedan generarse y controlarse en laboratorio abre nuevas posibilidades. Por ejemplo, podrían utilizarse como unidades de información cuántica, o como elementos funcionales en dispositivos de próxima generación que operen bajo principios distintos a los de la electrónica tradicional.

Por otro lado, quedan muchos interrogantes por resolver. La dinámica exacta de estos skyrmiones, su estabilidad en distintos entornos y su posible interacción con otras estructuras topológicas son aspectos que el equipo espera explorar en investigaciones futuras. También se menciona la posibilidad de ver fenómenos similares en sistemas de mayor dimensionalidad, lo que ampliaría aún más su campo de estudio.

Como señalan los autores en su conclusión, “el descubrimiento de estos skyrmiones excéntricos abre una nueva ventana hacia la comprensión de la topología en sistemas cuánticos complejos” . Esa ventana, por ahora, deja ver un paisaje que combina arte, física y nuevas formas de orden en el mundo cuántico.

Cortesía de Muy Interesante

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