En el laboratorio, a veces, lo más revolucionario no es lo que aparece con gran estruendo, sino lo que emerge con precisión silenciosa tras años de pruebas, errores y mejoras técnicas. Eso es lo que ha conseguido un equipo de científicos chinos al detectar por primera vez evidencia experimental de una cuasipartícula que, hasta ahora, solo existía en la teoría: el cuadruplón. Y aunque su nombre suene a criatura de ciencia ficción, su hallazgo es muy real y promete cambiar nuestra forma de entender la materia a nivel cuántico.
El estudio, liderado por el profesor Cun-Zheng Ning, se publicó en marzo de 2025 en la revista eLight, y marca un hito en la física del estado sólido. ¿Qué tiene de especial este descubrimiento? Que se trata de una entidad cuántica de cuatro cuerpos irreducible, es decir, una agrupación estable de dos electrones y dos huecos que no puede explicarse como una simple combinación de partículas conocidas. Y lo han logrado usando técnicas ópticas avanzadas en un material de grosor atómico, el ditelururo de molibdeno.
Una nueva cuasipartícula entra en escena
Los materiales que usamos a diario —desde pantallas táctiles hasta paneles solares— tienen propiedades eléctricas y ópticas que dependen de cómo se comportan los electrones dentro de ellos. En física cuántica, ese comportamiento suele describirse en términos de cuasipartículas, que no son partículas reales, sino fenómenos colectivos que se comportan como si lo fueran.
Entre los ejemplos más conocidos están los excitones (pares de electrón y hueco), los triones (dos electrones y un hueco, o al revés) y los biexcitones (dos excitones unidos). Pero todos ellos tienen una estructura reducida a combinaciones de dos o tres cuerpos. En cambio, el cuadruplón es distinto: no puede dividirse en partes más simples. Es una estructura de cuatro partículas altamente correlacionadas, irreductible en términos cuánticos.
Según el equipo de investigación, esta diferencia lo convierte en un objeto cuántico de primer orden: “En contraste con un biexcitón, que consiste en dos excitones débilmente acoplados, el cuadruplón es una entidad unificada de cuatro partículas sin excitones definidos”.
El experimento que reveló lo invisible
Detectar al cuadruplón no fue tarea sencilla. Los científicos utilizaron una técnica llamada bomba-sonda óptica, en la que se excita el material con un breve pulso láser (la bomba) y luego se mide cómo responde ante otro pulso (la sonda). El material empleado fue una monocapa de ditelururo de molibdeno (MoTe₂), una lámina atómica que permite manipular finamente las cargas mediante un voltaje de compuerta.
El objetivo era observar qué nuevas estructuras cuánticas podían formarse en esas condiciones. Para ello, midieron el espectro de absorción diferencial del material tras el pulso. Lo que observaron fue sorprendente: seis picos bien definidos aparecían por debajo del excitón conocido, señalando la existencia de nuevos estados cuánticos.
Los autores realizaron múltiples controles para asegurarse de que esos picos no se debían a defectos, impurezas ni artefactos ópticos. “Hemos repetido estos experimentos en cinco de nuestras mejores muestras sin defectos visibles, y los picos son consistentes y robustos”, declaró el profesor Ning.
Una teoría para una partícula desconocida
Observar los picos era solo el primer paso. La gran pregunta era: ¿qué los causa? Para responderla, los investigadores utilizaron dos modelos teóricos: uno basado en la ecuación de Bethe–Salpeter (que describe estados excitados de muchos cuerpos) y otro basado en la expansión de clústeres, una técnica que permite descomponer los sistemas en agrupaciones de partículas.
Ambos enfoques llevaron a la misma conclusión: ninguna combinación de triones ni biexcitones podía explicar todos los picos observados. Solo al incluir un clúster de cuarto orden, correspondiente a dos electrones y dos huecos sin excitones intermedios, el modelo reprodujo todos los datos experimentales.
“El clúster irreducible de cuarto orden asociado a dos electrones y dos huecos es necesario y suficiente para generar todas las nuevas características espectrales”, escriben los autores en el artículo.
El poder de los materiales 2D
La elección del material no fue casual. Los llamados semiconductores bidimensionales, como MoTe₂, tienen propiedades ópticas y electrónicas únicas debido a su espesor atómico. En particular, permiten observar y manipular complejos de excitones con mayor estabilidad y claridad que los materiales voluminosos tradicionales.
En estos sistemas, los efectos cuánticos se amplifican. Esto hace posible estudiar interacciones de muchos cuerpos, como las que dan origen al cuadruplón. De hecho, los autores señalan que es precisamente en estos materiales donde “las condiciones son ideales para la formación de entidades de orden superior”.
Además, el comportamiento del cuadruplón se mantuvo estable incluso a temperaturas de hasta 60 K, lo que lo hace más accesible para experimentos futuros que requieran menos refrigeración extrema.
Más allá del cuadruplón: una nueva frontera
El descubrimiento del cuadruplón no solo aporta una nueva cuasipartícula al catálogo, sino que abre la puerta a entender mejor fenómenos complejos como la transición de Mott, un cambio de fase cuántico crucial para la teoría de materiales.
También plantea preguntas nuevas: ¿puede el cuadruplón dar lugar a emisiones de luz diferentes? ¿Puede formar parte de sistemas cuánticos más grandes, como escaleras de excitones o estados coherentes de muchos cuerpos? ¿Tendrá aplicaciones en computación cuántica o en óptica no lineal?
Según los autores, es probable que existan otras cuasipartículas aún no descubiertas, formadas por más de cuatro partículas o con configuraciones distintas. El trabajo actual es solo el inicio de una nueva rama en la física de materiales cuánticos.
“La existencia del cuadruplón abre muchas oportunidades emocionantes para estudiar sus consecuencias en la ganancia óptica, la generación de estados cuánticos y la óptica no lineal, más allá de las transiciones de Mott”, concluyen los autores.
Referencias
- Jiacheng Tang, Cun-Zheng Ning, Hao Sun, Qiyao Zhang, Xingcan Dai, Zhen Wang. The quadruplon in a monolayer semiconductor. eLight (2025) 5:3. DOI: 10.1186/s43593-025-00081-1.
Cortesía de Muy Interesante
Dejanos un comentario: