cuasipartículas que desaparecen en un punto crítico

Los metales extraños no solo tienen un nombre peculiar. También se comportan de formas que desconciertan a los científicos desde hace décadas. Mientras que el cobre o el oro conducen la electricidad de manera predecible, estos materiales presentan una resistencia eléctrica que no sigue las reglas clásicas, sobre todo a temperaturas muy bajas. Lo más intrigante es que, en ciertos puntos, sus electrones parecen perder su identidad habitual, como si las reglas que rigen su existencia se suspendieran brevemente.

En un reciente estudio publicado en Nature Communications, un equipo internacional de físicos ha dado un paso crucial para entender este misterio. Mediante un enfoque puramente teórico, usaron herramientas de la ciencia de la información cuántica para revelar que, justo en el momento más crítico del comportamiento de estos materiales, los electrones se entrelazan de forma intensa y colectiva. Este entrelazamiento cuántico alcanza un máximo en un punto de transición, lo que explicaría por qué desaparecen las cuasipartículas, los «bloques» que normalmente describen cómo se mueven los electrones.

La mayoría de los metales permiten que los electrones fluyan como una especie de gas organizado. Las interacciones entre partículas son débiles y el comportamiento colectivo puede describirse bien con modelos simples. Sin embargo, los llamados metales extraños —como algunos compuestos de tierras raras— muestran propiedades muy distintas. La resistencia eléctrica, por ejemplo, no depende de la temperatura como en los metales comunes. Además, parecen perder las cuasipartículas, entidades que en física condensada se utilizan para explicar cómo los electrones se comportan dentro de un material.

Esto ha sido un problema persistente para la física. Los modelos tradicionales no logran explicar por qué estas cuasipartículas desaparecen en ciertos momentos. Por eso, los autores del nuevo estudio decidieron abordar la cuestión desde otro ángulo: el entrelazamiento cuántico, ese fenómeno por el cual las partículas quedan conectadas de forma que lo que le pasa a una afecta a la otra, sin importar la distancia que las separa.

¿Qué son las cuasipartículas?

Las cuasipartículas son una forma simplificada de describir el comportamiento colectivo de los electrones dentro de un material. En lugar de seguir cada electrón por separado —lo cual sería extremadamente complejo—, los físicos usan el concepto de cuasipartícula para representar cómo se comporta un electrón modificado por su entorno: las interacciones con otros electrones, con los átomos del material o con campos externos. Es como si el electrón llevara consigo una «mochila» de efectos, pero aún se moviera como una sola entidad. Esta idea funciona muy bien en metales comunes, pero en materiales como los metales extraños, las cuasipartículas desaparecen, porque las interacciones son tan intensas que el sistema ya no puede describirse en términos de partículas individuales con propiedades bien definidas.

Una herramienta de la metrología cuántica entra en juego

El avance central de este trabajo fue el uso de una métrica llamada Quantum Fisher Information (QFI, o Información Cuántica de Fisher). Esta herramienta, originada en el campo de la metrología cuántica, se utiliza para medir cuán sensible es un sistema a pequeñas perturbaciones. Pero más allá de su uso original, se ha demostrado que el QFI es un excelente indicador de entrelazamiento multipartita, es decir, de entrelazamiento que no ocurre solo entre pares de partículas, sino entre muchas a la vez.

Según explican los autores, «el QFI del operador de espín alcanza su máximo en el punto crítico cuántico e indica un estado fundamental fuertemente entrelazado». ¿Qué significa esto?, pues que en ese punto donde las propiedades del material cambian radicalmente, el sistema presenta un entrelazamiento cuántico amplificado. Esto no solo ofrece una explicación coherente para la desaparición de las cuasipartículas, sino que también proporciona una nueva vía para describir los estados cuánticos colectivos en materiales complejos.

Qué es un punto crítico cuántico y por qué importa

En física, un punto crítico cuántico es una transición entre dos fases de la materia que ocurre a temperatura cero, impulsada no por el calor sino por otros parámetros, como la presión o la interacción entre partículas. En este caso, los investigadores se centraron en el llamado modelo de red de Kondo, que describe cómo los momentos magnéticos de los átomos interactúan con los electrones que los rodean.

Lo que encontraron es que en el punto exacto donde el sistema pasa de una fase a otra —donde se destruye el efecto Kondo y se pierden las cuasipartículas—, el entrelazamiento cuántico alcanza su punto máximo. Este comportamiento no había sido caracterizado antes con precisión en sistemas metálicos, y representa una de las principales contribuciones del estudio.

La clave está en que el QFI no solo permite detectar la presencia de entrelazamiento, sino también su intensidad y estructura. El hecho de que el valor calculado supere el umbral necesario para confirmar el entrelazamiento de al menos tres partículas refuerza la idea de que estamos ante un fenómeno genuinamente colectivo.

Comparación con experimentos reales

Aunque el estudio es teórico, una de sus fortalezas más notables es que sus predicciones coinciden con datos experimentales existentes. En particular, los autores destacan que el comportamiento calculado del QFI encaja con los resultados obtenidos mediante dispersión inelástica de neutrones en compuestos como CeCu₅.₉Au₀.₁ y Ce₃Pd₂₀Si₆, materiales conocidos por presentar puntos críticos de tipo Kondo.

Este tipo de validación es fundamental. Demuestra que los conceptos de la información cuántica no solo son útiles en computación o criptografía, sino también en la comprensión de materiales reales, con aplicaciones potenciales en superconductividad y tecnologías energéticas.

Los cálculos teóricos de los investigadores coincidieron inesperadamente con datos experimentales del mundo real​. Esto no suele ocurrir con tanta claridad en física teórica, lo que refuerza el impacto del hallazgo.

Una nueva forma de caracterizar materiales complejos

Más allá del caso específico de los metales extraños, el trabajo abre la puerta a una forma completamente nueva de estudiar materiales. Si el entrelazamiento cuántico puede servir como «huella digital» para entender estados de la materia difíciles de describir con métodos clásicos, entonces herramientas como el QFI pueden convertirse en instrumentos estándar en la física de materiales.

El estudio sugiere que otros sistemas —incluidos los materiales que presentan superconductividad a altas temperaturas— podrían beneficiarse de este enfoque. El hecho de que el entrelazamiento multipartito se concentre cerca del punto crítico indica que estos estados cuánticos extremos no son raros, sino inherentes a la naturaleza de ciertos materiales en condiciones críticas.

Tal como concluyen los autores: “Nuestro trabajo ofrece una ventana a las correlaciones cuánticas que subyacen en una amplia gama de sistemas metálicos fuertemente interactuantes”. En otras palabras, los investigadores proponen que el entrelazamiento cuántico no es solo una rareza, sino una herramienta útil para comprender fenómenos complejos en materiales reales.

Entrelazamiento como indicador del fin de las cuasipartículas

Un aspecto particularmente interesante del estudio es cómo conecta el entrelazamiento con la desaparición de las cuasipartículas, un fenómeno característico de los metales extraños. En las fases «normales», los electrones se comportan como cuasipartículas bien definidas. Pero en el punto crítico, este concepto deja de tener sentido.

Los cálculos del equipo muestran que el entrelazamiento no solo cambia de cantidad, sino también de estructura: ya no está confinado a pares de partículas, sino que se distribuye entre muchos electrones, de forma que “la entropía de entrelazamiento es máxima y las correlaciones de tipo Kondo desaparecen”.

Este comportamiento —colectivo, distribuido y extremo— es lo que da lugar a las propiedades anómalas de los metales extraños. Entenderlo no es solo un avance conceptual: también puede tener consecuencias prácticas si se logra manipular el entrelazamiento para mejorar tecnologías como los superconductores o los dispositivos cuánticos.