Controlar el mundo cuántico es ahora posible gracias a un material que responde a su entorno: un cristal que cambia de fase y permite manipular partículas híbridas de luz y materia
Un nuevo estudio demuestra cómo un cristal que cambia de estructura según la temperatura permite manipular partículas cuánticas híbridas. Este avance podría revolucionar el diseño de dispositivos cuánticos prácticos y asequibles.
Fuente: ChatGPT / E. F.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
9.04.2025 | 23:13
En ciencia, algunos descubrimientos parecen sacados de una hoja de cálculo de laboratorio, y otros de una intuición casi mágica. ¿Y si te dijeran que ahora se pueden manipular partículas cuánticas —esas entidades tan escurridizas como fundamentales— simplemente aprovechando un fenómeno que ya conocemos de la vida cotidiana, como cuando el agua se convierte en hielo o vapor? Eso es, en esencia, lo que ha conseguido un equipo de investigadores del Instituto Daegu Gyeongbuk de Ciencia y Tecnología (DGIST), en Corea del Sur: utilizar un material que cambia de estructura según la temperatura para controlar partículas cuánticas híbridas, llamadas polaritones.
El trabajo, publicado en la revista Advanced Science bajo el título “Tunable Polariton Rabi Oscillation in Phase-Changing Perovskite Microcavities”, muestra cómo un tipo de cristal conocido como perovskita puede cambiar su estructura interna con la temperatura y, con ello, modificar de forma controlada el comportamiento de los polaritones. Según el artículo, “la energía de separación de Rabi de los excitón-polaritones puede ajustarse hasta un 20 %, y la fuerza osciladora excitónica correspondiente varía en un 44 % durante la transición de fase”. No es solo un dato técnico: es un paso significativo hacia el diseño de dispositivos cuánticos ajustables, estables y, sobre todo, más prácticos.
Polaritones: partículas mitad luz, mitad materia
Para entender este avance, primero conviene saber qué son exactamente los polaritones. Se trata de cuasipartículas formadas por la interacción entre fotones (las partículas de la luz) y excitoness (pares de electrones y huecos ligados dentro de un material semiconductor). Esta combinación da lugar a partículas que, al mismo tiempo, tienen las propiedades de la luz —como moverse a gran velocidad— y las de la materia —como interactuar con otros sistemas cuánticos—.
Este tipo de partículas son muy prometedoras en campos como la computación cuántica o los sensores ultrarrápidos. En particular, son relevantes por un fenómeno conocido como oscilación de Rabi, que es una especie de vaivén entre dos estados cuánticos. Poder controlar esa oscilación es clave para cualquier aplicación práctica. Pero hasta ahora, lograrlo requería condiciones muy exigentes, como bajas temperaturas o dispositivos complejos.
Fuente: Advanced ScienceUn material que cambia con la temperatura… y con ello, cambia todo
El material elegido por los investigadores es una perovskita híbrida de haluro de plomo, llamada MAPbBr₃. Lo interesante de este compuesto es que su estructura cristalina cambia con la temperatura, pasando por distintas fases: ortorrómbica, tetragonal y cúbica. En otras palabras, el mismo cristal adopta formas diferentes según el entorno, lo que afecta a sus propiedades eléctricas y ópticas.
Este comportamiento no es solo una curiosidad. En una de esas fases, la fase tetragonal, el cristal muestra una propiedad conocida como ferroelectricidad, es decir, presenta una polarización eléctrica espontánea. Esta característica, que no requiere de campos eléctricos externos, permite que se pueda modificar la interacción entre la luz y la materia dentro del cristal. Como consecuencia, se puede alterar el comportamiento de los polaritones que viajan en su interior.
En palabras del artículo, “la frecuencia de Rabi puede ser sondeada siguiendo la relación de dispersión de los excitón-polaritones utilizando espectroscopía de plano de Fourier”, lo cual permitió a los autores rastrear en detalle cómo los cambios estructurales del material afectaban a las propiedades cuánticas.
Fuente: ChatGPT / E. F.La microcavidad: el laboratorio en miniatura
Para que todo esto ocurriera, el equipo diseñó un dispositivo conocido como microcavidad óptica, una estructura donde los fotones pueden quedar atrapados y acoplados con los excitones del material. Estas microcavidades fueron construidas con varias capas delgadas de materiales reflectantes (llamadas espejos de Bragg), separadas por la capa activa de perovskita.
Este entorno controlado permitió observar cómo los polaritones cambiaban su comportamiento a medida que el cristal pasaba de una fase a otra. A temperaturas bajas, el material estaba en fase ortorrómbica. Al calentarse, pasó a tetragonal y luego a cúbica. En cada fase, la intensidad de la oscilación de Rabi —que mide cuánto se acopla la luz a la materia— cambiaba notablemente.
Según los datos del estudio, “la energía de separación de Rabi disminuyó de 77 a 67 meV en la fase ortorrómbica, se redujo aún más a 64 meV en la tetragonal, y luego aumentó nuevamente en la cúbica”. Esta variación revela que la estructura interna del cristal influye directamente en el comportamiento cuántico de las partículas.
Fuente: Advanced ScienceFerroelectricidad: el mecanismo oculto
El hallazgo más llamativo del estudio es que la aparición de ferroelectricidad en la fase tetragonal es lo que permite controlar la fuerza de acoplamiento entre la luz y la materia. Para verificarlo, los autores realizaron mediciones de polarización eléctrica y observaron cómo variaba con la temperatura.
En el artículo se afirma que “el comportamiento anticorrelacionado entre la fuerza osciladora excitónica y la polarización dieléctrica sugiere que la propiedad excitónica intrínseca puede ser modificada con el cambio de fase del MAPbBr₃”. Es decir, cuando el cristal muestra más polarización eléctrica espontánea, la fuerza con la que se acoplan la luz y la materia disminuye, y viceversa.
Esto se debe a la forma en que se organizan las cargas dentro del material. En ciertas fases, los dipolos eléctricos se alinean, generando una polarización neta que afecta directamente a los excitones. En otras, las cargas están desorganizadas o distribuidas de forma simétrica, lo que cambia el panorama cuántico.
Aplicaciones: computación cuántica y más allá
Este tipo de control, logrado sin usar equipos costosos ni condiciones extremas, es una promesa clara para el desarrollo de dispositivos cuánticos más accesibles y prácticos. En concreto, abre la puerta a fabricar chips cuánticos que funcionen a temperatura ambiente, algo que hoy sigue siendo uno de los mayores desafíos del sector.
Además, la técnica podría aplicarse en sensores ultrasensibles, en sistemas de comunicación cuántica y hasta en inteligencia artificial fotónica, un campo emergente que busca usar luz para procesar información de forma más rápida y eficiente.
En resumen, controlar las partículas cuánticas no tiene por qué depender siempre de campos magnéticos, láseres ultrarrápidos o condiciones de laboratorio extremo. A veces, basta con un cristal que se transforma solo, como lo hace el agua al congelarse. Y eso, en el lenguaje de la física moderna, es todo un avance.
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Referencias
Hyeon-Seo Choi, Minjee Ko, Taejin Lee, Jin-Woo Jung, Young-Jun Lee, Hyeonjong Jeong, Youngjae Kim, Dongha Kim, Jinhee Heo, Shinbuhm Lee, JaeDong Lee y Chang-Hee Cho. Tunable Polariton Rabi Oscillation in Phase-Changing Perovskite Microcavities. Advanced Science (2025). DOI: 10.1002/advs.202417596.
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