Una imagen repetida en la ciencia ficción muestra naves espaciales navegando durante años por el vacío interestelar, gobernadas por ordenadores que parecen funcionar eternamente sin mantenimiento. Aunque parezca fantasía, un nuevo hallazgo en física cuántica podría acercar un poco más esa visión. Un equipo internacional de investigadores ha detectado por primera vez una fase cuántica exótica en un material sólido que, por sus propiedades, podría ser clave en el desarrollo de tecnologías resistentes a la radiación, autosuficientes en energía y adaptadas a entornos extremos como el espacio profundo.
El descubrimiento fue liderado por físicos de la Universidad de California en Irvine y se basa en un material conocido como hafnio pentatelururo (HfTe5). A través de experimentos con campos magnéticos intensos, los científicos observaron cómo el material entraba en una fase nunca antes medida: un aislante excitónico de espín triplete, una forma altamente correlacionada de materia en la que los electrones y sus “huecos” se emparejan manteniendo sus espines alineados. Como explican los autores del trabajo, esta fase “preserva la simetría de traslación” y da lugar a un estado cuántico con propiedades sorprendentes .
Qué es una fase excitónica y por qué importa
Las fases de la materia no se limitan a las que aprendemos en la escuela —sólido, líquido, gas—. Aunque en realidad eso son estados, que no es exactamente lo mismo. En física cuántica, los materiales pueden adoptar comportamientos colectivos muy distintos según las condiciones de temperatura, presión o campo magnético. Una de estas fases es el aislante excitónico, donde electrones (con carga negativa) y huecos (vacantes con carga positiva) se unen formando una cuasipartícula llamada excitón.
Lo interesante de este caso es que los excitones que se forman no son los típicos “singletes”, en los que los espines se cancelan mutuamente, sino “tripletes”, donde los espines están alineados. Esta configuración tiene consecuencias directas: el excitón se vuelve magnético, resistente y capaz de transportar información usando el espín, en lugar de la carga eléctrica. Esa característica lo convierte en un candidato prometedor para tecnologías como la espintrónica y los dispositivos cuánticos de nueva generación.
Tal como señala el estudio, “este estado se forma mediante un emparejamiento coherente de electrones y huecos” y se comporta de forma análoga a una condensación tipo BCS, como ocurre en los superconductores.
El papel del campo magnético y la transición cuántica
Para inducir esta fase, los investigadores aplicaron un campo magnético de hasta 70 Teslas al material HfTe5. Esa intensidad es unas 700 veces superior a la de un imán de nevera y solo puede generarse en instalaciones especializadas como el Laboratorio Nacional de Los Álamos y el Laboratorio Nacional de Campos Magnéticos Altos, en Estados Unidos.
Al aumentar el campo, el material pasa por lo que se conoce como el límite cuántico ultraalto. En este régimen, el movimiento de los electrones se restringe, y la energía se organiza en niveles discretos llamados niveles de Landau. El comportamiento de estos niveles en HfTe₅ permite que los electrones y huecos se alineen en bandas opuestas de espín y se crucen, dando lugar a un modo de Weyl unidimensional.
Es en ese contexto donde ocurre la transición: la conductividad del material cambia, se abre una brecha energética de unos 250 microelectronvoltios, y aparece un estado con conductividad Hall nula, es decir, una fase eléctricamente neutra, pero con comportamiento cuántico colectivo. Según el paper, “este estado aislante surge de la formación de pares electrón-hueco con espines opuestos, lo que da lugar a un excitón triplete”.
Qué tiene de especial este excitón triplete
En física, los excitones triplete han sido durante mucho tiempo una predicción teórica difícil de observar en la práctica. Lo que hace especial al caso del HfTe5 es que este excitón:
- Tiene espines alineados (triplete),
- Es neutro, por lo que no se ve afectado por radiación electromagnética,
- Se forma en una configuración que mantiene la simetría del cristal,
- Y se observa directamente mediante mediciones de transporte cuántico.
Una de las pruebas más sólidas de su existencia es la desaparición de la conductividad Hall durante un amplio rango de campos magnéticos, lo que indica que el número de electrones y huecos se iguala. Además, los experimentos muestran que este estado persiste hasta los 72 Teslas, la máxima intensidad probada.
El modelo teórico desarrollado por el equipo indica que esta fase es robusta frente a perturbaciones, siempre que las interacciones de Coulomb —la fuerza que une al electrón y el hueco— se mantengan fuertes. Como subrayan los autores, “el excitón triplete puede coexistir con campos más altos que el excitón singlete convencional”.
Aplicaciones potenciales en computación y exploración espacial
Uno de los aspectos más llamativos de este hallazgo es su potencial aplicabilidad. En declaraciones recogidas en notas de prensa, los investigadores sugieren que materiales como este podrían usarse en ordenadores que funcionen sin electricidad convencional, aprovechando el espín en lugar de la carga. Esa idea apunta hacia la espintrónica, una rama emergente de la física aplicada que busca desarrollar dispositivos más rápidos, eficientes y resistentes.
Pero hay otro detalle aún más fascinante: esta fase cuántica no se ve afectada por la radiación, lo que la convierte en una candidata ideal para dispositivos electrónicos diseñados para misiones espaciales de larga duración. En contextos como Marte o el espacio interestelar, donde la exposición a partículas energéticas puede destruir la electrónica tradicional, un material así representaría una ventaja considerable.
Según el artículo de la Universidad de California, “si se quiere que los ordenadores funcionen en el espacio durante mucho tiempo, esta es una de las formas de lograrlo”.
Por qué este hallazgo es tan relevante
Este descubrimiento no solo aporta una nueva fase al catálogo de la materia cuántica, sino que abre una vía experimental sólida hacia fenómenos que hasta ahora solo se conocían por teoría. La observación directa del excitón triplete con espines opuestos en un material topológico en 3D bajo condiciones extremas marca un hito experimental.
La investigación también ofrece herramientas para estudiar otros fenómenos cuánticos colectivos, como la superfluidez de espín, los efectos Josephson con espines o el arrastre de Coulomb entre corrientes de espín, todos ellos con potencial para aplicaciones futuras en computación cuántica y sensores de nueva generación.
Además, el uso de materiales con bandas de energía bien controladas y estructuras topológicas complejas como HfTe5 se perfila como una vía prometedora para la física de materiales. Este tipo de investigaciones ayuda a comprender mejor cómo emergen nuevas propiedades cuando muchos electrones interactúan en condiciones extremas, una de las preguntas fundamentales de la física de la materia condensada.
Referencias
- Jinyu Liu, Varsha Subramanyan, Robert Welser, Timothy McSorley, Triet Ho, David Graf, Michael T. Pettes, Avadh Saxena, Laurel E. Winter, Shi-Zeng Lin, Luis A. Jauregui. Spin-Triplet Excitonic Insulator in the Ultra-Quantum Limit of HfTe5. Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/bj2n-4k2w.
