Todos hemos estudiado los estados de la materia en el colegio. Eran tres: sólido, líquido y gas. Saber eso es una cuestión de cultura popular, no hace falta ser químico para tenerlo claro e, incluso, si tenemos buena memoria podemos recordar los cambios de fase que nos explicaron en primaria: el paso de sólido a líquido se llama fusión, el paso de líquido a gas evaporación, etc. La realidad, sin embargo, es que hemos vivido una mentira. Acaban de descubrir un nuevo estado de la materia y su nombre es mucho más sofisticado que “líquido”, “sólido” o “gas”, se llama: cristal de Bose de dos dimensiones.

“¿Cómo es posible que exista un cuarto estado de la materia?” te preguntarás. Lo cierto es que el vidrio de Bose de dos dimensiones no es el cuarto, porque hay muchos más y a algunos los conocemos desde hace mucho. El más popular es el plasma, un estado que aparece cuando calentamos mucho el gas, haciendo que los átomos que lo conforman pierdan los electrones, que empiezan a fluir libremente por la sustancia, un proceso que conocemos como “ionización”. Hay condensados de Bose Einstein, vidrios de Bose, vidrios de Fermi, superfluídos y otros cuantos, cada uno con sus propiedades irreductibles a la típica clasificación de instituto.

¿Qué es un estado?

Normalmente pensamos que los tres estados clásicos se diferencian más de lo que realmente lo hacen. Cada uno posee una característica particular que lo define. El gas fluye y llena todo el espacio disponible, el líquido fluye, pero no llena todo el espacio disponible y el sólido no hace ninguna de ambas cosas. Es una simplificación muy básica, pero suficiente para comprender que, si descubrimos sustancias que adquieren otras propiedades a determinados valores de temperatura y presión, conviene darles nombre.

Y es que la clave de los estados de la materia es esa, que son estados. Una sustancia cualquier adquiere determinadas propiedades a cierta temperatura. Por ejemplo: el cambio de estado de sólido a líquido en el hielo no significa solo que a más de 0 grados el cubito se convierta en un charco, sino que, a más de 0 grados y presión atmosférica, las moléculas de agua que componen el cubito ganan la suficiente energía para fluir unas respecto a otras. Eso es lo que ocurre en la transición de fase, pasando de un estado a otro, y lo mismo ocurre cuando un vidrio de Bose de dos dimensiones empieza a comportarse como tal.

Vidrio de Bose de 2 dimensiones

Como decíamos, los vidrios de Bose no son nuevos. En realidad, fue teorizado por primera vez en la década de los 80, como un estado de la materia que aparece cuando bosones (como los fotones que componen la luz) de luz) se “anclan” a un lugar concreto. Dicho de forma técnica: se localizan. Esto impide que las partículas del vidrio su condensación en un estado superfluido cuya propiedad característica sería fluir a toda costa, sin resistencia ni fricción interna. Sin embargo, hasta ahora el estudio de estos vidrios de Bose había sido mayormente teórico o limitado a sistemas de una dimensión (una línea). Ahora, esta investigación ha ampliado su estudio a las dos dimensiones, como un plano.

Para construir el material, los expertos han utilizado varios haces de luz láser superpuesta creando lo que se conoce como un patrón cuasiperiódico. Dicho de otro modo: que está ordenado en el espacio, como pueden ser los ladrillos de una pared, solo que no se repite la misma secuencia nunca (cada intersección entre ladrillos tendría una frontera diferente, por decirlo así). A continuación, liberaron átomos enfriados casi hasta el cero absoluto (-273ºC) y, esas partículas, se dispusieron siguiendo la estructura que dictaban los láseres formando así el vidrio de Bose en dos dimensiones.

Computación cuántica

Que las partículas de estos sistemas mantengan su localización es tremendamente importante para el desarrollo de tecnologías cuántica fiables, donde podemos querer que nuestras partículas no interactúen con su entorno. Y es que, las propiedades cuánticas de un sistema, esas que los hacen interesantes para desarrollar ordenadores más potentes o tecnologías ópticas, se pierden con estas interacciones en un proceso conocido como decoherencia.

Ulrich Schneider, Profesor de Física de Muchos Cuerpos en el Laboratorio Cavendish y autor principal del estudio, afirma que “Para describir el sistema con precisión, debemos considerar todas sus partículas y sus configuraciones posibles, un número que crece rápidamente. Sin embargo, ahora tenemos un ejemplo bidimensional real que podemos estudiar y observar directamente en cuanto a su dinámica y estadísticas”. Que no interactúe con su entorno facilita crear simulaciones, ya que reduce la complejidad del sistema notablemente. “Todavía hay muchas cosas que no entendemos sobre el vidrio de Bose y su posible conexión con la localización de muchos cuerpos, tanto en cuanto a sus propiedades termodinámicas como dinámicas. Primero deberíamos centrarnos en responder más de estas preguntas antes de intentar encontrarle aplicaciones”, concluyó Schneider.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Este nuevo estado de la materia no es la panacea, es solo un primer paso (muy inicial). La clave es que, con él, en teoría, podríamos desarrollar tecnologías cuánticas más estables, eficientes y precisas.

REFERENCIAS (MLA):

• "Observing the Two-Dimensional Bose Glass in an Optical Quasicrystal." Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07875-2.