Electrones congelados pero libres que conducen la corriente eléctrica
Científicos descubren un nuevo estado cuántico en el grafeno, donde los electrones permanecen congelados pero permiten el flujo de corriente sin resistencia. Este hallazgo podría impulsar la computación cuántica y la electrónica avanzada.
Un estudiante descubre un nuevo estado cuántico en el grafeno: electrones congelados pero libres que conducen la corriente eléctrica. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 4.02.2025
A veces, los avances más sorprendentes en la ciencia no provienen de laboratorios con equipos de última generación ni de los investigadores más experimentados, sino de la curiosidad y el ingenio de jóvenes científicos en formación. Otra veces, incluso desde el aula de un instituto, como el caso de la demostración del teorema de Pitágoras. Algo así es precisamente lo que ocurrió con Ruiheng Su, un estudiante de la Universidad de Columbia Británica (UBC), quien, mientras trabajaba en el laboratorio del profesor Joshua Folk, se topó con un fenómeno que podría cambiar nuestra comprensión de la física cuántica aplicada al grafeno, un material que no deja de sorprender con sus propiedades.
Este material, conocido por su extraordinaria resistencia y capacidad conductora, ha sido objeto de estudio durante años. Sin embargo, el hallazgo de Su llevó a un nuevo nivel nuestra comprensión de los electrones en este material. Al manipular capas de grafeno con una ligera torsión, descubrió que los electrones pueden quedar “congelados” en su posición, pero al mismo tiempo, permitir el flujo de corriente eléctrica a lo largo de los bordes del material sin resistencia.
El grafeno y su papel en la revolución cuántica
El grafeno es un material compuesto por átomos de carbono dispuestos en una estructura de panal de abeja. Desde su descubrimiento en 2004, ha fascinado a científicos por sus propiedades únicas: es más fuerte que el acero, extremadamente ligero y posee una conductividad eléctrica excepcional.
Uno de los avances más recientes en el estudio del grafeno consiste en superponer dos láminas del material con una pequeña rotación entre ellas. Este procedimiento crea un patrón geométrico conocido como patrón de muaré. Este patrón, que modifica la forma en que los electrones se mueven a través del material, ya ha sido motivo de atención hace unos meses con los materiales magnéticos a demanda. En ciertos ángulos específicos, este fenómeno puede generar estados electrónicos totalmente nuevos, como los hallados en este estudio.
Átomos formando una red. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.Electrones que se congelan pero siguen fluyendo
El descubrimiento de Su radica en que, en determinadas condiciones, los electrones en el grafeno no se mueven libremente por todo el material, sino que se organizan en un patrón fijo, como si estuvieran congelados en su lugar. A pesar de esta inmovilidad interna, el material sigue permitiendo el flujo de corriente en los bordes sin resistencia alguna, un comportamiento nunca antes observado en estos sistemas.
Este fenómeno es lo que los investigadores han denominado un cristal electrónico topológico, un estado exótico de la materia en el que los electrones permanecen atrapados en una red ordenada dentro del material, pero siguen transportando electricidad en su periferia.
A pesar de esta inmovilidad interna, el material sigue permitiendo el flujo de corriente en los bordes sin resistencia alguna. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
¿Qué significa la topología en este descubrimiento?
Para entender este fenómeno, es crucial el concepto de topología, una rama de la matemática que estudia las propiedades de los objetos que no cambian aunque sean deformados. En el caso de los cristales electrónicos en el grafeno, la estructura electrónica se comporta como un anillo cerrado: los electrones pueden circular por los bordes sin obstáculos, pero no pueden escaparse ni reorganizarse dentro del material.
Matthew Yankowitz, uno de los investigadores principales del estudio, lo explicó con una analogía: Justo como un donut no puede convertirse en un pretzel sin romperse, los canales de electrones en este sistema no pueden interrumpirse sin alterar la estructura cuántica del material.
Este concepto también puede ilustrarse con un cinta de Moebius, una figura geométrica que tiene solo un lado y un borde continuo. En este sistema, los electrones siguen trayectorias protegidas por la topología, lo que significa que pueden moverse sin perder energía en forma de calor, una propiedad fundamental para muchas aplicaciones futuras.
Buenas noticias para la computación cuántica
El descubrimiento de este nuevo estado cuántico en el grafeno no es solo una curiosidad académica. Este comportamiento podría ser clave en el desarrollo de computadoras cuánticas más estables y eficientes. Uno de los mayores retos en la computación cuántica es la fragilidad de los qubits, las unidades básicas de información en estos sistemas. Si los electrones en el grafeno pueden organizarse de manera robusta y mantener la información sin interferencias, podrían servir como base para nuevos tipos de qubits topológicos.
Por otra parte, la conducción sin resistencia de los electrones en los bordes del material podría aplicarse a circuitos electrónicos con una eficiencia energética mucho mayor que los actuales. En teoría, esto abriría la puerta a dispositivos electrónicos que no desperdicien energía en forma de calor, lo que revolucionaría la industria de la electrónica.
Computadora cuántica futurista. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.El papel de los jóvenes investigadores en la ciencia
Lo más sorprendente de este hallazgo es que fue realizado por un estudiante universitario en el marco de un experimento aparentemente rutinario. Ruiheng Su estaba explorando configuraciones de grafeno en el laboratorio cuando notó una disposición de electrones que no encajaba con lo que se esperaba. Su curiosidad y meticulosidad llevaron a un descubrimiento que ahora está siendo publicado en revistas científicas de alto impacto.
Este hallazgo es una llamada de atención: la ciencia no es solo cuestión de equipos sofisticados o grandes presupuestos, sino también de observación y pensamiento crítico. La participación de jóvenes investigadores en proyectos de vanguardia no solo enriquece la investigación, sino que demuestra que la ciencia es un campo donde la curiosidad puede llevar a grandes avances, sin importar la experiencia del descubridor.
Eugenio M. Fernández Aguilar
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Referencias
Su, R., Waters, D., Zhou, B. et al. Moiré-driven topological electronic crystals in twisted graphene. Nature 637, 1084–1089 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08239-6
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