Aunque parezca que en el mundo cuántico todo es imprevisible, los físicos llevan décadas buscando patrones ocultos que revelen un orden más profundo. A veces, estos descubrimientos no llegan con experimentos espectaculares, sino con el análisis minucioso de pequeñas pistas: un ligero desvío en un dato, un comportamiento inesperado en una simulación. Así ha ocurrido con el hallazgo reciente de un nuevo tipo de orden en la materia cuántica, un avance que podría cambiar la forma en la que entendemos las transiciones entre distintos estados físicos.
Publicado en Science Advances, el estudio liderado por Zi Yang Meng y su equipo se centra en un fenómeno conocido como puntos críticos cuánticos desconfinados. Estos puntos no solo desdibujan las líneas que separan los estados de la materia, sino que además muestran un comportamiento que desafía las expectativas clásicas de la física de transiciones de fase. El hallazgo, logrado gracias a complejas simulaciones de entropía de entrelazamiento, podría abrir nuevas puertas a tecnologías aún inimaginables.
¿Qué es un punto crítico cuántico desconfinado?
Normalmente, cuando un material cambia de estado —por ejemplo, de sólido a líquido—, la transformación está impulsada por cambios de temperatura y puede explicarse mediante la termodinámica clásica. Sin embargo, en el mundo cuántico, hay transiciones de fase que ocurren incluso a temperatura cero absoluto. Estas transiciones no son impulsadas por calor, sino por las fluctuaciones cuánticas, movimientos diminutos e imprevisibles de las partículas.
Un punto crítico cuántico tradicional separa dos fases distintas: una ordenada, donde las partículas se disponen en patrones regulares, y una desordenada, donde reina el caos. Pero los puntos críticos desconfinados (DQCPs) son radicalmente distintos: se sitúan entre dos fases ordenadas, cada una con su propio patrón de ruptura de simetría. Como explica el equipo en su trabajo, "el DQCP ofrece un nuevo paradigma en teoría más allá del marco de Landau-Ginzburg-Wilson de ruptura de simetría y transiciones de fase".
Este comportamiento inusual lleva años desconcertando a los físicos. ¿Son estas transiciones suaves o abruptas? ¿Ocultan nuevas leyes de la materia? Hasta ahora, los resultados experimentales y numéricos eran contradictorios.
Entropía de entrelazamiento: la herramienta para revelar el misterio
Para desentrañar esta cuestión, los investigadores se apoyaron en la entropía de entrelazamiento. Esta medida cuantifica cómo se relacionan diferentes partes de un sistema cuántico. No se trata de observar partículas individuales, sino de capturar el tejido de correlaciones invisibles que une todo el sistema.
Según se detalla en el artículo, "una contribución sublíder logarítmica anómala en la ley de perímetro de la forma de escalado de la entropía de entrelazamiento de Rényi", proporciona indicios críticos sobre la naturaleza de estos puntos. En sistemas descritos por teorías conformes de campo (CFT), esta contribución debería desaparecer para límites suaves, pero en los DQCPs analizados, la anomalía persistía.
Aplicando simulaciones avanzadas de Quantum Monte Carlo, el equipo estudió modelos de redes cuadradas SU(N), variando el número de "colores" o grados de libertad. La entropía de entrelazamiento mostró comportamientos inesperados que no se ajustaban a los patrones esperados en una transición continua.
La importancia del parámetro N
Uno de los descubrimientos más relevantes fue identificar un valor crítico de N. Para modelos con N menor a 8, la transición no era suave: presentaba una corrección logarítmica anómala, una señal de que no había un punto fijo conforme. Como se describe en el paper, "sólo a partir de N=8, el valor de s se vuelve cercano a cero cuando se incrementa Lmin".
Esto implica que en sistemas con un bajo número de grados de libertad, la transición de fase probablemente no sea verdaderamente continua, sino débilmente de primer orden, aunque pueda parecer continua en simulaciones finitas. Para valores de N igual o superiores a 8, los comportamientos observados sí encajaban en la descripción de una transición continua gobernada por una teoría de campos conforme.
Este hallazgo no solo resuelve una polémica científica de dos décadas, sino que sugiere nuevas reglas sobre cómo emergen estados cuánticos complejos en la naturaleza.
Implicaciones para la física de materiales y la tecnología
Más allá del interés teórico, este avance tiene importantes ramificaciones. Los puntos críticos desconfinados están vinculados al surgimiento de fases exóticas de la materia, como los líquidos de espín cuántico, que se consideran candidatos ideales para aplicaciones en computación cuántica.
Además, una mejor comprensión de las transiciones cuánticas podría conducir al diseño de nuevos materiales, como superconductores de alta temperatura o sistemas magnéticos cuánticos con propiedades extraordinarias. El artículo señala que "el comportamiento de la entropía de entrelazamiento sugiere la existencia de un valor crítico finito de N, por encima del cual la transición se vuelve continua".
Así, estudiar estos puntos críticos no es solo una cuestión académica. Es también una vía para acceder a nuevas tecnologías emergentes que podrían transformar industrias enteras en las próximas décadas.
Un reto para las simulaciones y la teoría
Analizar los DQCPs es todo un desafío numérico. Las transiciones de primer orden muy débiles son difíciles de distinguir de las continuas mediante los métodos tradicionales, basados en observables locales. La clave del estudio fue emplear la entropía de entrelazamiento, una observable no local que revela estructuras profundas en los estados cuánticos.
Como los autores explican, "la dificultad se supera estudiando la entropía de entrelazamiento, que es un observable no local y puede revelar estructuras sutiles en las funciones de onda de muchos cuerpos cuánticos". Esta aproximación permitió resolver discrepancias que habían mantenido dividida a la comunidad durante años.
El estudio también confirma predicciones teóricas sobre la conexión entre los DQCPs y el modelo Abeliano de Higgs de N componentes, una estructura fundamental en la física de altas energías.
El futuro de la investigación en puntos críticos desconfinados
El trabajo abre nuevas preguntas. ¿Existen otros sistemas donde se pueda observar directamente esta transición? ¿Podrían los experimentos de materia condensada verificar estas predicciones?
Además, aunque el parámetro N crítico se ha establecido entre 7 y 8, los mecanismos que controlan la transición exacta siguen sin estar completamente claros. Hay indicios de que fenómenos como modos de Goldstone o efectos de defectos de corte en la entropía podrían jugar un papel importante.
El desafío ahora es ampliar las simulaciones a sistemas más grandes, perfeccionar los métodos experimentales y seguir explorando los límites del universo cuántico, donde el orden oculto se revela solo a quienes saben dónde mirar.
Referencias
- Menghan Song, Jiarui Zhao, Meng Cheng, Cenke Xu, Michael Scherer, Lukas Janssen, Zi Yang Meng. Evolution of entanglement entropy at SU(N) deconfined quantum critical points. Science Advances, 7 February 2025, vol. 11, eadr0634. DOI: 10.1126/sciadv.adr0634.
