¿qué es la fase Mott-Meissner?

Durante años, los físicos han buscado una manera de estudiar ciertos comportamientos colectivos de la materia que no aparecen en los materiales convencionales. No es que no existan, es que la naturaleza parece no haberlos puesto a nuestra disposición en sus versiones más puras o controlables. Y si la naturaleza no los ofrece, hay que construirlos. Esta idea, cada vez más presente en la física cuántica contemporánea, es la que ha llevado a un equipo europeo a crear en el laboratorio un entorno donde se ha observado por primera vez una llamada «fase Mott-Meissner» en un sistema de muchos cuerpos, con un nivel de control sin precedentes.

El artículo publicado en Nature Physics describe un experimento con átomos ultrafríos, láseres y redes ópticas, en el que se recrean condiciones análogas a campos magnéticos, pero sin necesidad de usar imanes. ¿El resultado? Corrientes cuánticas que fluyen de manera persistente, organizadas, en una suerte de escaleras invisibles. Es la primera evidencia directa, obtenida con resolución espacial total, de este tipo de fase en un sistema de gran tamaño. Todo gracias a un «simulador cuántico», un tipo de experimento diseñado no para resolver problemas clásicos, sino para emular otros sistemas imposibles de estudiar de forma directa.

Qué es una fase Mott-Meissner y por qué cuesta tanto verla

Cuando se habla de “fases” de la materia en física cuántica, no se hace referencia únicamente a sólido, líquido o gas. No lo confundamos con estados. Existen fases que se definen por cómo se comportan los sistemas cuando muchas partículas interactúan entre sí, especialmente en condiciones extremas. La fase Mott-Meissner es una de ellas. En este tipo de configuración, los átomos están parcialmente localizados —como en un aislante de Mott— pero mantienen corrientes organizadas y persistentes, similares a las que aparecen en los superconductores.

Esta fase combina dos ingredientes que, por separado, son conocidos: una interacción fuerte entre partículas (como en los sistemas de Mott) y un campo magnético efectivo que induce corrientes quirales, es decir, que fluyen en sentidos opuestos por los bordes del sistema. Pero unir estos dos factores en un experimento con más de unas pocas partículas había sido, hasta ahora, extraordinariamente difícil. Tal como explican los autores, “combinamos la microscopía de gases cuánticos con rotaciones locales de base para revelar las corrientes de partículas en equilibrio con resolución espacial” .

El problema principal ha sido el calentamiento inducido por los métodos de simulación, que destruye los frágiles estados cuánticos antes de que puedan estudiarse. Este trabajo demuestra que es posible reducir ese calentamiento al mínimo y mantener el sistema en equilibrio el tiempo suficiente como para observar fenómenos colectivos.

Cómo se diseñó el simulador cuántico para lograrlo

El experimento se llevó a cabo en el laboratorio de la Universidad de Múnich, utilizando un microscopio de gases cuánticos con átomos de cesio. Estos átomos se enfriaron hasta casi el cero absoluto y se organizaron en una red óptica bidimensional, donde los láseres crean un patrón de «pozos» de energía. Al ajustar la profundidad y la periodicidad de esa red, se pudo dividir el sistema en múltiples “escaleras” independientes, formadas por “peldaños” y “largueros” en forma de doble pozos.

Lo innovador del montaje está en cómo se introdujo un campo magnético sintético. Esto se logró mediante una técnica llamada «modulación periódica», o «ingeniería de Floquet», que modifica el movimiento de las partículas usando haces de luz oscilantes. Tal como se explica en el artículo original, “la técnica modifica el movimiento de las partículas en la red usando haces de láser adicionales, lo que imprime el efecto de un campo magnético sobre los átomos, imitando una fuerza de Lorentz” .

Para controlar la intensidad de las interacciones entre átomos, el equipo usó una resonancia de Feshbach, que permite ajustar cómo de “repulsivos” o “atractivos” son los átomos entre sí. Esta flexibilidad es clave para reproducir distintos regímenes de la fase Mott-Meissner y explorar sus transiciones.

Qué se observó en el laboratorio

Una vez preparado el sistema, los investigadores midieron las corrientes de partículas que circulaban por las “piernas” y “peldaños” de las escaleras cuánticas. Estas corrientes no se pueden ver directamente, pero sí se pueden deducir a través de un sofisticado sistema de rotación de base local que convierte la información de movimiento en diferencias de densidad medibles con imágenes ópticas.

Los resultados fueron claros. Se observaron corrientes quirales persistentes en las piernas, y casi nulas en los peldaños, un signo característico de estar en la fase Mott-Meissner. Además, al aumentar la fuerza de interacción o modificar el acoplamiento entre peldaños y piernas, las corrientes se atenuaban, en línea con las predicciones teóricas. El sistema también mostró anti-correlaciones de densidad entre los lados de cada peldaño, otra señal de que se había alcanzado un régimen de aislamiento tipo Mott.

La precisión del experimento permitió incluso estimar la temperatura efectiva del sistema, que resultó ser del orden del acoplamiento túnel entre sitios. En palabras del artículo, “el escalado característico de la interacción […] es una firma experimental directa y un rasgo distintivo de la fase Mott-Meissner”.

Qué significa este avance para la física cuántica

Este experimento marca un hito en varios sentidos. Primero, porque logra estabilizar un sistema fuertemente correlacionado bajo condiciones de conducción periódica, algo que hasta ahora solo se había logrado en sistemas muy pequeños. Segundo, porque abre la puerta a la exploración experimental de fases cuánticas complejas, muchas de las cuales son difíciles —o directamente imposibles— de simular con ordenadores clásicos.

Entre las aplicaciones futuras se encuentra la posibilidad de investigar estados cuánticos topológicos, como los aislantes de Chern fraccionarios, que tienen interés tanto teórico como aplicado en computación cuántica. Los autores señalan que su plataforma también podría extenderse a sistemas de dos dimensiones completas, lo que permitiría simular estados cuánticos aún más ricos, como los que implican partículas llamadas anyones.

Además, esta técnica permite realizar experimentos fuera del equilibrio, algo crucial para entender la dinámica cuántica real, que rara vez permanece en equilibrio en sistemas naturales o tecnológicos.

Un paso firme hacia los materiales del futuro

Más allá de su impacto académico, este tipo de avances forman parte de una tendencia cada vez más clara: el diseño de materiales cuánticos desde cero, con propiedades controladas a voluntad. En lugar de buscar en la naturaleza los materiales ideales, se crean estructuras artificiales que emulan las reglas físicas deseadas.

La observación controlada de la fase Mott-Meissner en una arquitectura experimental con resolución de sitio único y corriente es uno de los ejemplos más nítidos de hasta dónde ha llegado esta estrategia. Como resumen el equipo en su artículo, “estos resultados establecen la viabilidad de escalar sistemas cuánticos periódicamente conducidos hacia fases fuertemente correlacionadas” .

Es un avance que no solo confirma predicciones teóricas, sino que también establece una nueva base para el estudio experimental de materia cuántica topológica con control sin precedentes.