Más allá de la luz: físicos observan una fase cuántica exótica que antes se consideraba imposible

Científicos han logrado observar por primera vez un extraño estado cuántico, conocido como transición de fase superradiante, en un cristal frío y ¡sin usar luz! El hallazgo podría transformar el futuro de la computación y los sensores cuánticos.

Por Enrique Coperías

La transición superradiante, antes asociada al vacío cuántico, fue lograda mediante el acoplamiento entre espines de hierro y erbio en un cristal, según Dasom Kim, autor principal del estudio. Imagen conceptual generada con Gemini

En el corazón de la física cuántica, existen fenómenos tan intrigantes como sutiles, que desafían nuestra intuición y prometen transformar el futuro de la tecnología.

Uno de ellos es, sin duda alguna, la transición de fase superradiante (SRPT, por sus siglas en inglés), y ha sido durante décadas un misterio teórico: una predicción elegante, pero esquiva a la observación.

Ahora, un equipo de científicos liderado por físicos de la Rice University, en Estados Unidos, ha conseguido, por primera vez, observar este fenómeno cuántico en condiciones de equilibrio térmico, un hito que ha desatado una ola de entusiasmo en la comunidad científica.

Y lo más sorprendente: no lo lograron usando luz, como predijeron los modelos originales, sino en un cristal sólido mediante el acoplamiento de magnones y espines atómicos. Esta versión magnónica de la transición superradiante no solo evade una antigua barrera teórica —el famoso teorema de no-go—, sino que podría inaugurar una nueva era para la computación cuántica, detección cuántica y comunicación cuántica.

¿Qué es la transición de fase superradiante?

En términos sencillos, la transición de fase superradiante es un fenómeno cuántico colectivo. En otras palabras, ocurre cuando muchas partículas cuánticas, que normalmente fluctúan de forma desordenada, comienzan a hacerlo de manera coordinada. Este nuevo estado de la materia surge sin estímulos externos, como si un enjambre de luciérnagas empezara a parpadear al unísono sin haber recibido una señal.

La teoría que sustenta este comportamiento fue propuesta en los años 70 a partir del modelo de Dicke, que describe cómo un grupo de átomos de dos niveles cuánticos puede acoplarse colectivamente a un único modo de un campo electromagnético, como ocurre con los fotones dentro de una cavidad.

Si el acoplamiento es lo suficientemente fuerte, el sistema sufre una transición de fase cuántica a un estado ordenado donde surgen campos electromagnéticos estáticos y polarización atómica espontánea. Este es el llamado estado superradiante.

Una vía alternativa: del vacío cuántico a los cristales magnéticos

Pero aquí es donde entra el obstáculo: en sistemas ópticos reales, aparece un término en las ecuaciones conocido como término A², que está relacionado con la energía del campo y que impide que la transición ocurra de forma espontánea. Esta limitación es el núcleo del citado teorema de no-go, que afirma que la SRPT no puede manifestarse en equilibrio térmico bajo acoplamiento electromagnético convencional.

Frente a esta limitación, los científicos de la Rice University encontraron una forma de sortear el problema: reemplazar el acoplamiento luz-materia por uno puramente magnónico. Es decir, en lugar de usar fotones y átomos, utilizaron un cristal donde los protagonistas son, por un lado, magnones, que son ondas colectivas de excitación de espines en el sistema de iones de hierro (Fe³⁺); y por el otro, espines de erbio (Er³⁺), que actúan como sistemas de dos niveles cuánticos.

En este sistema, los magnones juegan el papel de los fotones de cavidad del modelo de Dicke, mientras que los espines de Er³⁺ representan los átomos. Al tratarse de un acoplamiento por intercambio magnético y no por interacción electromagnética, el infame término A² no aparece en las ecuaciones. Esto convierte al sistema en un candidato ideal para realizar una transición superradiante real y observable.

Condiciones extremas y señales inequívocas

El experimento se llevó a cabo en un cristal de ortoferrita de erbio (ErFeO₃), que fue enfriado a -270 °C y expuesto a campos magnéticos de hasta siete teslas, unas 100.000 veces más intensos que el campo magnético terrestre. Estas condiciones extremas permitieron a los investigadores explorar el comportamiento del sistema en una región del espacio de parámetros donde podía emerger la fase superradiante.

Utilizando técnicas de espectroscopía de terahercios (THz) y gigahercios (GHz), los científicos analizaron cómo las frecuencias de resonancia cuántica del sistema cambiaban con el campo magnético. Lo que encontraron fue un patrón característico y esperado por la teoría: una frecuencia se suaviza hasta casi desaparecer (softening); y otra experimenta una torsión o quiebre brusco (kink).

Estas dos señales —la desaparición y la distorsión simultánea de los modos híbridos de espín— son huellas espectrales inequívocas de que el sistema ha entrado en la fase superradiante cuántica. Y lo más importante: ambas ocurren en el mismo punto crítico, tal como predice el modelo teórico.

Voces desde el laboratorio: los científicos opinan

«Originalmente, se propuso que la transición de fase superradiante surgía de las interacciones entre las fluctuaciones del vacío cuántico y la materia —explica Dasom Kim, estudiante de doctorado y autor principal del estudio, en una nota de prensa de la Rice University. Y añade—: Sin embargo, en nuestro trabajo, realizamos esta transición acoplando dos subsistemas magnéticos distintos: las fluctuaciones de espín de los iones de hierro y de erbio dentro del cristal».

Este acoplamiento ultrafuerte fue la clave para superar las limitaciones experimentales previas. Según Kim, «establecimos un acoplamiento ultrafuerte entre estos dos sistemas de espín y observamos con éxito una transición de fase superradiante, superando de esta manera las limitaciones experimentales anteriores».

El impacto del descubrimiento no se limita al ámbito teórico. Para Kim, «Cerca del punto crítico cuántico de esta transición, el sistema estabiliza de forma natural los estados de compresión cuántica”. Y añade este experto: Esto reduce drásticamente el ruido cuántico y mejora la precisión de las mediciones. En general, podría revolucionar sensores cuánticos y tecnologías informáticas cuánticas, al aumentar su fidelidad, sensibilidad y rendimiento».

Dasom Kim, uno de los autores del estudio, trabaja en su laboratorio de la Rice University. Kim es uno de los físicos que ha conseguido observar el fenómeno cuántico de la transición de fase superradiante. Cortesía: Jorge Vidal / Rice University)

Una nueva vía para crear y controlar fases de la materia

La teoría detrás del experimento fue modelada por Sohail Dasgupta, también estudiante de posgrado en la Rice University, que colaboró estrechamente con el físico japonés Motoaki Bamba. Dasgupta señala lo siguiente: «Aunque el modelo matemático cuántico básico ya existía, tuvimos que tener en cuenta las propiedades magnéticas específicas del material para que la teoría coincidiera con los datos experimentales. Cuando eso ocurre, es una de las mejores sensaciones que puede tener un científico».

Para Kaden Hazzard, profesor de Física y Astronomía en la Rice University y supervisor de Dasgupta, este logro es un paso decisivo. «Demuestra que los conceptos de la óptica cuántica pueden trasladarse al mundo de los materiales sólidos —dice Hazzard. Y añade—: Esto abre una nueva vía para crear y controlar fases de la materia usando ideas de la electrodinámica cuántica de cavidades».

Por su parte, Junichiro Kono, autor correspondiente y catedrático en dicha universidad señala que «demostrar una forma de transición de fase superradiante impulsada enteramente por el acoplamiento de fluctuaciones internas de la materia supone un avance significativo en física cuántica, al establecer un nuevo marco para comprender y explotar interacciones cuánticas intrínsecas en los materiales».

Una puerta hacia el futuro cuántico

Más allá del éxito técnico, este experimento sienta las bases para ingenierías cuánticas de materia. El cristal usado —la ortoferrita de erbio— es solo un ejemplo de una clase más amplia de materiales magnéticos cuánticos que podrían mostrar comportamientos similares. Esto implica que el fenómeno podría ser reproducido, controlado e incluso utilizado en dispositivos cuánticos reales.

Los investigadores creen que, al identificar dos condiciones clave —el acoplamiento cooperativo del tipo Dicke y una señal espectroscópica clara de kink y softening simultáneos—, se puede diseñar una hoja de ruta para observa transiciones de fase superradiante en otros materiales cuánticos.

Esto no solo enriquecerá la física fundamental cuántica, sino que también proporcionará herramientas prácticas para tecnologías emergentes cuánticas, como es el caso de de los sensores cuánticos ultraprecisos, que se beneficiarían de los estados de compresión cuántica; de las computadoras cuánticas más estables, gracias al control sobre fases colectivas de materia; y de las redes de comunicación cuántica, donde la coherencia entre espines puede jugar un papel fundamental.

Una transición largamente esperada… y finalmente real

En palabras de Kono, lo que comenzó como una elegante predicción cuántica teórica hace más de medio siglo ha cobrado vida en un laboratorio moderno, gracias a una combinación de ingenio teórico, tecnología espectroscópica avanzada y comprensión detallada de materiales magnéticos.

La observación de la transición de fase superradiante magnónica en la ortoferrita de erbio representa un punto de inflexión en la física cuántica moderna. No solo demuestra que es posible sortear el teorema de no-go, sino que introduce una nueva forma de pensar la materia cuántica: como sistemas donde las interacciones internas pueden ser tan poderosas como las del vacío cuántico.

Y mientras los investigadores ya miran hacia otras combinaciones de materiales y configuraciones, el hallazgo deja claro que el control colectivo de sistemas cuánticos complejos no es solo una posibilidad teórica, sino una realidad experimental al alcance de la mano. ▪️

• Información facilitada por la Rice University

• Fuente: Dasom Kim et al. Observation of the magnonic Dicke superradiant phase transition. Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adt1691