Físicos escuchan cómo hablan los átomos cuánticos entre sí

¿Y si pudieras oír al gato de Schrödinger? Un experimento suizo convierte el sonido en una puerta hacia los misterios de la física cuántica, sin romper sus reglas.

Por Enrique Coperías

Un equipo de físicos ha desarrollado un innovador sistema acústico para investigar materia condensada y sus propiedades macroscópicas, y de paso evitar la extrema sensibilidad que caracteriza a los fenómenos cuánticos. Cortesía: Alain Herzog / EPFL

¿Qué sucede cuando un físico cuántico se frustra con las limitaciones de la mecánica cuántica cuando se enfrenta al estudio de átomos densamente empaquetados? En la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, la respuesta es la creación de un metamaterial acústico, un tipo de material de ingeniería avanzada con propiedades exóticas.

Ese físico es Mathieu Padlewski, estudiante de doctorado. En colaboración con Hervé Lissek y Romain Fleury, del Laboratorio de Ingeniería Ondulatoria de la EPFL, Padlewski ha desarrollado un innovador sistema acústico para investigar materia condensada y sus propiedades macroscópicas, y de paso evitar la extrema sensibilidad característica de los fenómenos cuánticos.

Además, el sistema puede ajustarse para explorar aspectos que van más allá de la física del estado sólido. Los resultados del trabajo han sido publicados en la revista Physical Review B.

Cosechar energía de las ondas

«Esencialmente hemos construido un campo de pruebas inspirado en la mecánica cuántica, que puede ajustarse para analizar diferentes sistemas —dice Padlewski en una nota de prensa de la EPFL. Y añade—: Nuestro metamaterial está compuesto por elementos activos altamente sintonizables, lo que nos permite sintetizar fenómenos físicos que superan lo que encontramos en la naturaleza».

En palabras de Padlewski, «las posibles aplicaciones incluyen, por ejemplo, la manipulación de ondas, el guiado de energía para telecomunicaciones e incluso sistemas para cosechar energía de las ondas».

En mecánica cuántica, el famoso experimento mental del gato de Schrödinger ilustra cómo un sistema puede existir en una superposición de estados hasta que es medido. El gato, encerrado en una caja, está simultáneamente vivo y muerto hasta que la caja se abre. Esta paradoja, propuesta por Erwin Schrödinger en 1935, pone de relieve lo desconcertante que puede ser extrapolar conceptos cuánticos a escalas macroscópicas, como la de un gato real.

Los maullidos del gato de Schrödinger

La naturaleza extremadamente sensible de la física cuántica complica la observación directa de los estados sólidos. Medir el sistema colapsa la superposición cuántica, al forzarlo a adoptar un estado definido. A pesar de ello, los físicos pueden inferir las propiedades electrónicas de forma indirecta mediante técnicas avanzadas.

Sin embargo, existe un fenómeno en el mundo macroscópico que se comporta de manera análoga: el sonido. Por ejemplo, en el caso de la voz humana, percibimos su riqueza porque escuchamos un espectro completo de frecuencias. Esta combinación de frecuencia fundamental (o estado fundamental) y sus armónicos crea una superposición acústica, similar al concepto cuántico.

Así, podemos oír al gato vivo y muerto a la vez, en términos de ondas sonoras.

De izquierda a derecha, Mathieu Padlewski, Romain Fleury y Hervé Lissek, de pie con su metamaterial. Crédito: Alain Herzog / EPFL

Una línea de átomos acústicos

«Las ondas de probabilidad cuántica son ondas, ¿por qué no modelarlas con sonido? —plantea Padlewski. Y añade—: Explorar directamente los estados electrónicos sin perturbarlos sería como un ciego caminando por una calle concurrida sin bastón. Pero en acústica, podemos estudiar las ondas directamente, en fase y amplitud, sin destruir el estado. Eso es una gran ventaja».

El metamaterial acústico diseñado en la EPFL está compuesto por una línea de átomos acústicos, es decir, dieciséis pequeños cubos conectados con aberturas que permiten insertar altavoces y micrófonos. Los altavoces generan ondas sonoras controladas que se propagan por la línea, mientras que los micrófonos registran esas ondas para ofrecer una retroalimentación.

Estos cubos pueden combinarse para crear sistemas acústicos más complejos, superando la simple estructura lineal.

Un material parecido a nuestra cóclea

«Si observas la cóclea, el órgano del oído responsable de la audición, su estructura y función se parecen mucho a nuestro metamaterial acústico —comenta Lissek. Y añade—: La cóclea contiene una línea de células que amplifican diferentes frecuencias. Nuestro sistema podría replicar ese comportamiento y aplicarse en el estudio de problemas auditivos como el tinnitus».

Además, Padlewski aspira a utilizar estos bloques metamateriales para construir uno de los primeros ordenadores acústicos analógicos capaces de generar estados no separables. Inspirado por el trabajo de Pierre Deymier, investigador en fonónica, metamateriales acústicos y ciencia de los materiales de la Universidad de Arizona, este dispositivo funcionaría como un ordenador cuántico acústico. Este permite la observación directa de superposiciones sin interferencias, gracias a que las ondas acústicas son mucho menos frágiles que las cuánticas.

«Un ordenador analógico cuántico acústico se parecería a una red cristalina: una matriz periódica de celdas, como los átomos en un cristal —comenta Padlewski. Y concluye—: El enfoque acústico en la computación cuántica podría abrir una vía alternativa para procesar grandes volúmenes de información simultáneamente». ▪️

• Información facilitada por la EPFL

• Fuente: Padlewski, Mathieu; Fleury, Romain; Lissek, Hervé. Observation of amplitude-driven nonreciprocity for energy guiding. Physical Review B (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.125156