La física cuántica entra en territorio desconocido con el hallazgo de un nuevo estado topológico

En el mundo de los materiales cuánticos, a veces las sorpresas llegan donde menos se espera. No por la rareza de los sistemas, que ya de por sí desafían nuestras intuiciones clásicas, sino porque los propios conceptos que usamos para describirlos empiezan a tambalearse. Un reciente estudio, liderado por un equipo internacional de investigación entre Austria y Estados Unidos, ha revelado que un material que parecía estar gobernado por un caos cuántico también puede albergar propiedades topológicas, hasta ahora consideradas incompatibles con ese estado.

Este hallazgo, publicado en Nature Physics, no solo rompe con ideas previas sobre la naturaleza de ciertos materiales, sino que propone una redefinición profunda de qué entendemos por fase topológica. En concreto, muestra que un material puede comportarse como un semimetal topológico —un tipo especial de fase electrónica— incluso cuando no se pueden definir partículas individuales, algo que antes se creía esencial para que existiera ese tipo de orden.

Un material en la frontera cuántica

El protagonista de esta historia es CeRu₄Sn₆, un compuesto conocido como un semimetal de fermiones pesados. Lo que hace especial a este material no es solo su composición, sino su comportamiento a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto. En ese entorno, el sistema entra en lo que se llama un estado crítico cuántico, un tipo de transición entre fases que no está gobernada por la temperatura, sino por parámetros como el campo magnético o la presión.

Este tipo de transición cuántica no responde al modelo tradicional basado en fluctuaciones de orden, como ocurre en los imanes o en los líquidos. En su lugar, implica la desaparición de las cuasipartículas, que son las entidades que habitualmente usamos para describir cómo se mueven los electrones en un sólido. Como explican los autores, “si no hay cuasipartículas bien definidas, ¿cómo puede hablarse de un semimetal topológico?” .

Esa pregunta es precisamente el núcleo del estudio. Porque contra lo que se pensaba, el sistema no solo entra en un régimen donde las cuasipartículas se desvanecen, sino que en ese mismo entorno comienza a mostrar características propias de una fase topológica.

Qué es una fase topológica

En física de la materia condensada, una fase topológica es un estado de la materia que no se define por un orden convencional —como el de un imán o un cristal—, sino por propiedades globales del sistema que permanecen constantes incluso si se deforma suavemente. Es decir, no importa si se comprime, estira o introduce ciertos defectos: mientras no haya un cambio brusco (como una transición de fase), esas propiedades se mantienen.

La palabra “topología” viene de las matemáticas, donde se usa para estudiar formas que pueden transformarse entre sí sin cortarse ni pegarse. Un clásico ejemplo es que un donut y una taza de café con asa son topológicamente equivalentes: ambos tienen un solo agujero. Pero un donut y una esfera no lo son, porque la esfera no tiene agujeros.

Aplicado a los materiales, esto significa que ciertas propiedades electrónicas están protegidas por la topología del sistema, como la forma en que se conectan las bandas de energía. Estas propiedades pueden dar lugar a efectos notables, como conducción eléctrica en los bordes sin pérdidas, o comportamientos inusuales frente a campos magnéticos.

Lo notable del estudio de CeRu₄Sn₆ es que esas propiedades topológicas aparecen incluso cuando no se pueden definir partículas ni bandas claramente, lo que obliga a repensar el concepto desde su raíz.

El efecto Hall espontáneo como firma topológica

Uno de los indicadores más claros de que un material presenta propiedades topológicas es el llamado efecto Hall espontáneo, un fenómeno por el cual aparece un voltaje transversal en ausencia de un campo magnético aplicado. Es decir, los electrones se desvían como si algo invisible los empujara de lado, y esa fuerza misteriosa tiene que ver con la curvatura de Berry, una propiedad geométrica del sistema.

En el material CeRu₄Sn₆, este fenómeno aparece a temperaturas extremadamente bajas, por debajo de un kelvin, y sin necesidad de aplicar un campo magnético externo. Lo que se observa es una desviación espontánea en el movimiento de los electrones, como si el propio material los empujara hacia un lado. Esta señal desaparece poco a poco cuando se somete al material a presión o a campos magnéticos, lo que indica que el efecto está profundamente relacionado con su estado cuántico inestable.

Además, la relación entre la conductividad transversal y la longitudinal sigue una ley lineal, lo que indica que el efecto Hall tiene un origen intrínseco y no es un artefacto experimental. En este sentido, el ángulo Hall medido fue unas 100 veces mayor que en materiales como el TaAs, que ya son conocidos por sus propiedades topológicas extremas .

Un domo topológico en el diagrama de fases

Al mapear el comportamiento del material en función de la presión, el campo magnético y la temperatura, los investigadores identificaron una estructura en forma de domo, típica de fases emergentes en torno a puntos críticos cuánticos. Esta morfología recuerda a lo que ocurre en ciertos superconductores no convencionales, donde el máximo de la temperatura crítica también se sitúa cerca del punto de mayor fluctuación.

Según el estudio, “el semimetal Weyl–Kondo emergente se estabiliza precisamente en la vecindad del punto crítico cuántico, formando un domo bien definido en el espacio de parámetros”. Lo sorprendente es que, en este caso, se trata de una fase topológica, no de una superconductora.

Este paralelismo sugiere que las fluctuaciones cuánticas, lejos de ser un obstáculo, pueden ser el motor que da lugar a nuevos estados de la materia. En palabras del equipo: “Esto representa un nuevo principio de diseño para descubrir fases topológicas impulsadas por correlaciones electrónicas”.

Cuando no hay partículas, pero hay topología

Una de las claves del hallazgo es que la definición estándar de topología en física está basada en la existencia de cuasipartículas, que permiten describir los estados electrónicos como funciones de onda bien definidas. Sin ellas, la teoría tradicional pierde su base. Pero el estudio propone un enfoque alternativo, basado en las funciones espectrales del sistema, que permiten identificar cruces topológicos incluso sin recurrir a partículas individuales.

Los autores explican que “las funciones espectrales, que son los valores propios de la función de Green, pueden cruzarse en ciertos vectores de onda dictados por la simetría, dando lugar a nodos topológicos” . Esta generalización abre la puerta a redefinir qué significa que un material sea topológico.

En el modelo teórico desarrollado en paralelo al experimento, se simula un sistema con fuerte interacción entre electrones, sin cuasipartículas, pero que aun así presenta cruces espectrales que actúan como puntos Weyl. Este resultado da respaldo a los datos experimentales y refuerza la idea de que la topología puede emerger sin necesidad de partículas clásicas.

De la sorpresa al diseño de nuevos materiales

Este descubrimiento no solo reescribe parte de la teoría de los materiales topológicos, sino que también tiene implicaciones prácticas. Si las fases topológicas pueden emerger en condiciones de crítica cuántica, entonces la búsqueda de nuevos materiales puede enfocarse en sistemas donde ya se conocen transiciones cuánticas.

Como destacan los autores del artículo de divulgación de TU Wien, “la conexión entre estados topológicos y crítica cuántica podría permitir descubrir muchas nuevas fases emergentes” . Es decir, materiales que hasta ahora se consideraban desordenados o sin interés topológico podrían esconder propiedades útiles para aplicaciones como computación cuántica o sensores ultra precisos.

En este contexto, CeRu₄Sn₆ no es solo un sistema peculiar, sino un ejemplo de cómo los límites entre orden y desorden, entre partícula y onda, pueden difuminarse. Y en esa frontera borrosa, la física parece estar encontrando terreno fértil para la innovación.