¿Qué tienen en común un cristal de hierro y erbio, un campo magnético de 7 teslas y una predicción teórica de 1973? La respuesta es una transición cuántica que, hasta ahora, se creía inalcanzable. En un laboratorio de la Universidad de Rice, un equipo de físicos ha logrado observar por primera vez una fase superradiante en un sistema sólido, desafiando décadas de escepticismo y abriendo nuevas posibilidades en la física cuántica.
Este fenómeno, conocido como transición de fase superradiante (SRPT, por sus siglas en inglés), fue propuesto hace más de medio siglo, pero se consideraba imposible de observar debido a limitaciones teóricas. Ahora, gracias a un experimento innovador, los investigadores han conseguido superar estas barreras y confirmar la existencia de esta fase en un cristal magnético.
Una predicción que desafió el tiempo
La SRPT fue introducida en 1973 como una transición de fase cuántica en sistemas de átomos acoplados a campos de luz. Sin embargo, un teorema conocido como teorema de imposibilidad (“no-go theorem”) sugería que esta transición no podía ocurrir en sistemas reales debido a ciertos términos en la descripción matemática que anulaban el efecto.
Durante décadas, la comunidad científica debatió sobre la posibilidad de observar esta transición en la práctica.Muchos intentos se vieron frustrados por las limitaciones impuestas por el teorema. Sin embargo, el nuevo estudio ha encontrado una forma de eludir estas restricciones al utilizar un sistema completamente diferente: un cristal magnético en lugar de un sistema óptico.
El experimento que cambió las reglas
El equipo de Rice utilizó un cristal compuesto por erbio, hierro y oxígeno, enfriado a temperaturas cercanas al cero absoluto y sometido a un campo magnético intenso. En este entorno, observaron que dos subsistemas magnéticos dentro del cristal —los espines del hierro y del erbio— comenzaban a fluctuar de manera coordinada, formando una nueva fase de la materia.
Esta observación fue posible gracias a técnicas espectroscópicas avanzadas que revelaron firmas espectrales características de la SRPT. En particular, se detectó que la energía de un modo de espín desaparecía mientras que otro mostraba un cambio claro, coincidiendo con las predicciones teóricas para la entrada en la fase superradiante.
Superando el teorema de imposibilidad
El logro clave del experimento fue evitar las restricciones del teorema de imposibilidad al utilizar interacciones magnéticas en lugar de ópticas. En este sistema, los magnones del hierro desempeñan el papel de las fluctuaciones del vacío cuántico, mientras que los espines del erbio representan las fluctuaciones de la materia.
Esta configuración permitió una acoplamiento ultrastrong entre los dos subsistemas de espín, lo que llevó a la observación exitosa de la SRPT, superando las limitaciones experimentales anteriores.
Implicaciones para la tecnología cuántica
La confirmación de la SRPT no solo valida una predicción teórica de larga data, sino que también tiene implicaciones significativas para la tecnología cuántica. Cerca del punto crítico de esta transición, el sistema estabiliza naturalmente estados cuánticos comprimidos, donde el ruido cuántico se reduce drásticamente, mejorando la precisión de las mediciones.
Esto podría revolucionar los sensores cuánticos y las tecnologías de computación cuántica, aumentando su fidelidad, sensibilidad y rendimiento.
Un nuevo marco para la física cuántica
El estudio establece un nuevo marco para comprender y explotar las interacciones cuánticas intrínsecas dentro de los materiales. Al demostrar una forma de SRPT impulsada completamente por el acoplamiento de dos fluctuaciones internas de la materia, se abre la puerta a explorar fenómenos cuánticos en otros materiales con componentes magnéticos similares.
Esta investigación también sugiere que conceptos de la óptica cuántica pueden aplicarse a materiales sólidos, lo que podría conducir a nuevas formas de crear y controlar fases de la materia utilizando ideas de la electrodinámica cuántica de cavidades.
Referencias
- Kim, D., Dasgupta, S., Ma, X., Park, J.-M., Wei, H.-T., Li, X., Luo, L., Doumani, J., Yang, W., Cheng, D., Kim, R. H. J., Everitt, H. O., Kimura, S., Nojiri, H., Wang, J., Cao, S., Bamba, M., Hazzard, K. R. A., & Kono, J. (2025). Observation of the magnonic Dicke superradiant phase transition. Science Advances, 11(14). https://doi.org/10.1126/sciadv.adt1691.
Cortesía de Muy Interesante
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