La investigación, publicada en la prestigiosa revista Physical Review X Quantum, permite observar por primera vez de forma controlada la misteriosa fase de Haldane, con aplicaciones en computación cuántica y materiales del futuro
Tradicionalmente se conocen tres estados de la materia, sólido, líquido y gaseoso. No obstante, el universo entraña otros estados más extraños que sólo se pueden observar y comprender con la física cuántica. Entre estos estados cuánticos desconocidos, hasta ahora, estaba la fase de Haldane.
Los investigadores Javier Prior y Ana Teresa Gea, del grupo Quantum Technologies de la Universidad de Murcia (UMU), junto a científicos de las universidades de Stuttgart (Alemania) y Paris-Saclay (Francia), han diseñado un experimento pionero que permite observar este extraño estado de la materia de forma controlada en el laboratorio.
"Este tipo de fases no se pueden detectar con instrumentos clásicos, porque su orden interno es muy peculiar: está en cómo se organizan globalmente las partículas, no en su posición", explica Ana Teresa Gea, investigadora de la UMU.
Para conseguirlo, el equipo utiliza átomos de Rydberg, una clase de átomos cuyos electrones están en niveles de energía muy elevados (es decir, que estos giran muy lejos de su núcleo). Esa particularidad permite controlar con gran precisión cómo interactúan entre sí. Organizados en cadenas, estos átomos actúan como un laboratorio en miniatura donde es posible simular y observar el comportamiento de sistemas cuánticos en los que aparece esta extraña fase de Haldane.
Uno de los aspectos más llamativos de este estado es que, aunque el sistema parezca desordenado, en sus extremos aparecen partículas con propiedades distintas al resto, un fenómeno conocido como fraccionamiento de espín. Este comportamiento es el que podría aprovecharse, por ejemplo, para fabricar qubits —la unidad básica de información en computación cuántica— mucho más estables.
"La fase de Haldane es un ejemplo emblemático de este tipo de orden oculto", explica Ana Teresa Gea. "Aunque el sistema parece desordenado, en realidad esconde un orden que se manifiesta en los extremos de la cadena cuántica, donde emergen partículas con propiedades únicas".
Además de su interés teórico, estos avances podrían impulsar el desarrollo de materiales topológicos, superconductores o dispositivos de comunicaciones ópticas mucho más eficientes y robustos.
Esta investigación abre nuevas vías para explorar las llamadas fases cuánticas protegidas por simetrías, fundamentales en el desarrollo de tecnologías cuánticas de última generación.