Pocas veces una investigación científica logra mezclar con tanta naturalidad la precisión matemática de la física y la imaginación lúdica de un niño. A simple vista, parece una exageración hablar de una cama elástica del tamaño de un cabello humano que puede guiar vibraciones como si fueran coches por una autopista. Sin embargo, eso es exactamente lo que han logrado varios equipos de investigación de universidades europeas. Y lo mejor de todo: podría transformar la forma en que diseñamos los microchips y las comunicaciones del futuro.
El experimento se llevó a cabo con una delgadísima membrana perforada, casi invisible al ojo humano, que ha demostrado ser capaz de canalizar “fonones”, las partículas que transmiten las vibraciones del sonido en los materiales. El artículo, publicado en Nature en junio de 2025, ofrece no solo datos impresionantes, sino también una visión radicalmente nueva de cómo manipular la energía mecánica a escalas minúsculas. Como destacan los autores, por primera vez han logrado una guía de ondas fonónicas con pérdidas casi despreciables incluso al doblar esquinas de 120 grados.
Un dispositivo que vibra sin perder energía
A pesar de su apariencia frágil, esta cama elástica de silicio nitruro puede mantener sus vibraciones durante un tiempo inusualmente largo sin apenas disipar energía. Tiene un grosor de apenas 20 nanómetros, miles de veces más delgada que una hoja de papel. La estructura está compuesta por una red ordenada de agujeros en forma de triángulo redondeado, lo que le confiere una simetría esencial para su funcionamiento. Gracias a este patrón geométrico, las ondas mecánicas que circulan por la superficie no se comportan como lo harían en una lámina uniforme: pueden doblar esquinas, desplazarse en direcciones opuestas y evitar rebotes indeseados.
Según los investigadores, el diseño permite que los fonones se desplacen por curvas cerradas sin apenas perder impulso. De hecho, tal como afirman en el artículo, “la probabilidad de que los fonones sigan una curva de 120 grados en lugar de dispersarse es del 99,99 %”. Eso convierte a este dispositivo en una de las guías de onda fonónicas más eficientes jamás creadas en laboratorio.
Qué son los fonones y por qué importa tanto controlarlos
Los fonones son las unidades fundamentales de la vibración del sonido en materiales sólidos o líquidos. A diferencia de los electrones o fotones, los fonones se mueven más lentamente, no se ven afectados por la radiación electromagnética y pueden ser confinados con facilidad. Esto los convierte en candidatos ideales para aplicaciones en circuitos a escala nanométrica.
Durante años, uno de los grandes desafíos ha sido encontrar maneras de dirigir estos fonones de forma eficiente. Cualquier curva, imperfección o discontinuidad en un circuito provoca que parte de esa vibración se pierda. Esta “cama elástica cuántica” resuelve ese problema al emplear un diseño topológico. En palabras del artículo, “la combinación de confinamiento suave y topología permite una propagación con pérdidas de solo 3 dB/km”, un valor que hasta ahora era impensable en un sistema mecánico de estas características.
Topología: un truco matemático para guiar el sonido
La clave de este avance está en una rama de la física conocida como topología, que estudia cómo ciertas propiedades de un objeto se mantienen incluso cuando este se deforma suavemente. En este caso, los científicos han usado un “aislante topológico de tipo valley-Hall”, una estructura que, al ser interrumpida por una interfaz entre dos dominios con distinta orientación, genera un canal donde los fonones pueden viajar sin apenas ser perturbados.
El resultado es un borde en el que las vibraciones se concentran y circulan con una eficiencia excepcional. “En las esquinas del triángulo formado por la guía, la dispersión hacia atrás fue inferior a una parte por cada diez mil”, indican los autores. A través de mediciones de espectroscopía ultrasónica y simulaciones numéricas, pudieron cuantificar por primera vez la eficacia de esta protección topológica contra la dispersión.
Del laboratorio al futuro de los microchips
Uno de los aspectos más interesantes de este trabajo es su potencial de aplicación en tecnologías reales, tanto en la computación clásica como en la cuántica. La estructura de esta cama elástica no solo es capaz de dirigir los fonones por trayectorias complejas, sino que lo hace con una tasa de pérdida que compite con la de fibras ópticas o guías superconductoras de microondas. Para dispositivos que requieren una transmisión precisa de señales —como los microchips o los sistemas de telecomunicaciones cuánticas—, este tipo de diseño podría marcar un antes y un después.
El estudio estima que, a temperaturas de 4 K, los fonones podrían viajar hasta 10 centímetros sin degradarse, y hasta 8 metros si se enfría el sistema a 50 milikelvin. Estas distancias son más que suficientes para construir circuitos fonónicos complejos en un solo chip. Además, el sistema es compatible con métodos ya probados para acoplar fonones con luz o con circuitos superconductores.
Más allá del laboratorio: ¿una cama elástica para personas?
Aunque todo el estudio se centra en un dispositivo nanométrico, uno de los autores no pudo evitar plantearse una curiosidad lúdica. “He pensado en eso, construir una versión a escala humana”, comenta Oded Zilberberg, uno de los responsables del diseño. “Supongo que el principio funcionaría también a mayor escala, aunque nadie debería probarlo sin casco”. Más allá del humor, la afirmación ilustra la robustez del concepto: los principios físicos que hacen funcionar esta cama elástica cuántica no dependen de su tamaño, sino de su geometría.
Una plataforma con posibilidades abiertas
El artículo no se limita a mostrar un dispositivo pasivo. También explora la posibilidad de modular activamente las vibraciones mediante señales externas, una técnica conocida como amplificación paramétrica. Esto permite no solo guiar fonones, sino amplificarlos, controlarlos y transformarlos según sea necesario. Como indican los autores, esto abre la puerta a nuevas investigaciones en “física topológica no hermítica”, un campo emergente con aplicaciones potenciales en computación y sensado cuántico.
Además, el sistema es extremadamente versátil: se puede escalar, adaptar a distintas geometrías y combinar con otras tecnologías de forma flexible. En resumen, no se trata solo de un experimento curioso, sino de una nueva plataforma funcional que podría desempeñar un papel clave en la próxima generación de tecnologías.
Lo que tienes que saber de la cama elástica cuántica
- Es un dispositivo nanométrico: Tiene apenas 20 nanómetros de grosor, muchísimo más fino que un cabello humano, y está hecho de una membrana de silicio nitruro bajo tensión.
- Funciona como una guía para fonones: Los fonones son las partículas que transportan las vibraciones del sonido en los sólidos. Esta estructura los guía como si fueran coches por una carretera.
- Tiene una geometría topológica especial: Está perforada con agujeros en forma de triángulo redondeado, colocados en un patrón que permite dirigir las vibraciones sin pérdidas.
- Puede doblar vibraciones en esquinas cerradas: Las ondas se curvan en ángulos de 120 grados sin casi dispersarse, algo muy difícil de lograr en física de materiales.
- Pierde muy poca energía: Las pérdidas son menores a 3 dB por kilómetro, comparable con las mejores guías ópticas o superconductoras actuales.
- Permite medir el retroceso de las vibraciones: Solo una de cada diez mil vibraciones se desvía al pasar por una curva, lo que demuestra su enorme eficiencia.
- Tiene aplicaciones en chips y computación cuántica: Podría usarse para construir circuitos que procesen señales mecánicas con mucha más precisión y menor consumo energético.
- Puede ser controlada con señales externas: Se ha demostrado que puede amplificar vibraciones mediante pulsos mecánicos, abriendo la puerta a nuevas formas de procesamiento de señales.
- Es escalable y adaptable: Aunque el diseño es a escala nanométrica, los principios físicos que lo hacen funcionar se pueden aplicar a escalas mayores.
- Ya ha sido probado experimentalmente: Todo lo que se describe ha sido medido en laboratorio, incluyendo su precisión, eficiencia y comportamiento ante curvas y bordes.
Referencias
- Xiang Xi, Ilia Chernobrovkin, Jan Košata, Mads B. Kristensen, Eric Langman, Anders S. Sørensen, Oded Zilberberg, Albert Schliesser. “A soft-clamped topological waveguide for phonons”. Nature, 4 de junio de 2025. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09092-x.
