Desde 1960 la física cuántica esperaba este momento: observar los estados ocultos en vórtices superconductores
Un hallazgo cuántico largamente esperado desde 1960 se ha hecho realidad: científicos han logrado observar análogos de los estados de vórtice en superconductores, abriendo nuevas vías para el desarrollo de simuladores cuánticos híbridos.
Imagen ilustrativa, no forma parte del paper. Fuente: ChatGPT / E. F.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 5.06.2025
Durante más de seis décadas, un fenómeno predicho en la teoría cuántica ha permanecido como un enigma apenas al alcance de los físicos. Se trataba de los llamados estados de Caroli–de Gennes–Matricon, una estructura cuántica que debía encontrarse en el núcleo de los vórtices que aparecen en ciertos materiales superconductores. Sin embargo, a pesar de los avances tecnológicos, su detección directa resultaba casi imposible. Ahora, gracias a un ingenioso sistema diseñado en el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, este antiguo misterio ha comenzado a resolverse. Todo esto suena extraño, por eso te lo contamos de forma sencilla.
El hallazgo, publicado en Physical Review Letters, ha sido posible no por encontrar los estados en su forma natural, sino por recrear una versión sintética y controlada del entorno donde se forman. En lugar de perseguir directamente un vórtice cuántico real, los investigadores han fabricado un sistema nanoscópico que emula las condiciones necesarias. Como si se tratara de encontrar una entrada trasera a una habitación cerrada durante años, este atajo experimental ha permitido visualizar y estudiar estos estados cuánticos elusivos.
Lo que se predijo en los 60 y por qué fue tan difícil de ver
En 1964, los físicos Caroli, de Gennes y Matricon propusieron que, en el núcleo de un vórtice dentro de un superconductor tipo II, deberían surgir ciertos estados cuánticos ligados, confinados por la energía del sistema. A estos estados hoy se los conoce como estados CdGM. Su importancia radica en que son manifestaciones directas de cómo las partículas cuánticas se comportan en entornos extremos de confinamiento y ruptura de simetría.
El problema fue que estos estados están separados entre sí por escalas de energía diminutas, muchísimo menores que las que los experimentos estándar pueden resolver. En palabras del artículo científico, “las separaciones energéticas de los estados CdGM son menores que la brecha superconductora, Δ, en un factor del orden de Δ/EF”. Ese cociente, Δ/EF, suele ser extremadamente pequeño, del orden de una diezmilésima, lo que impide observar directamente estos estados en materiales metálicos convencionales.
Qué son en realidad los vórtices cuánticos
Cuando un superconductor tipo II se expone a un campo magnético moderado, no bloquea completamente ese campo como hacen otros materiales. En su lugar, el campo se cuela en el interior del superconductor formando pequeños tubos invisibles llamados vórtices cuánticos. Dentro de cada uno de ellos circula una mínima cantidad posible de campo magnético, siempre la misma. No puede dividirse ni ajustarse: es como una medida estándar que la naturaleza no permite fraccionar.
En el centro del vórtice, el material pierde momentáneamente su capacidad superconductora, creando un entorno único donde pueden aparecer estados cuánticos especiales. A su alrededor, las propiedades del superconductor giran de forma ordenada, generando una especie de espiral microscópica que solo puede formarse bajo estas condiciones. Lejos de ser una simple anomalía, el vórtice es una estructura estable y fundamental, un escenario ideal para observar fenómenos que normalmente estarían ocultos a nuestros instrumentos.
Fuente: Physical Review LettersVórtices artificiales: una vía alternativa para observar lo inobservable
Ante la imposibilidad de acceder directamente a estos estados, los científicos han optado por diseñar un sistema que simula de forma precisa las condiciones del vórtice cuántico, pero en una estructura distinta. Utilizaron nanocables de arseniuro de indio (InAs) recubiertos completamente por una capa delgada de aluminio, formando lo que se conoce como una nanocapa superconductor-semiconductora de carcasa completa.
Lo esencial del diseño está en que, al aplicar un campo magnético axial a esta estructura cilíndrica, el flujo magnético induce una torsión en la fase del superconductor, creando una especie de vórtice artificial. Este sistema genera “análogos de los estados CdGM en forma de singularidades de van Hove en bandas unidimensionales dispersivas”. En otras palabras, no se observa el vórtice en sí, sino un equivalente funcional, más accesible a la tecnología experimental actual.
Este enfoque permite, además, manipular a voluntad los parámetros del sistema, como el grosor del recubrimiento superconductor o el campo magnético aplicado. Así, los investigadores pueden estudiar cómo emergen estos estados, cómo se comportan y cómo cambian con las condiciones externas. El sistema no es solo un modelo, sino un laboratorio de física cuántica en miniatura.
Fuente: ChatGPT / E. F.Una firma experimental clara: los lóbulos de Little–Parks
Uno de los aspectos más elegantes del experimento es que se apoya en un fenómeno conocido como el efecto Little–Parks, descubierto en 1962. Este efecto describe cómo la temperatura crítica de un superconductor varía de forma oscilante cuando se le aplica un flujo magnético, debido a la cuantización del flujo en múltiplos del cuanto de flujo magnético (Φ₀ = h/2e).
En el estudio, los investigadores observaron que el sistema muestra una “estructura en lóbulos” en la brecha de energía superconductora, la cual se modula con el campo magnético. En los lóbulos superiores, donde aparecen los estados CdGM sintéticos, se observaron estados subgap dispersivos que coinciden con las predicciones teóricas. Además, dentro de cada lóbulo, estos estados presentan una curiosa asimetría energética, desplazándose hacia campos más altos. Esta característica fue “explicada teóricamente […] y descrita experimentalmente con gran detalle”.
Este tipo de modulación ofrece una señal experimental robusta y permite verificar que lo observado no es un artefacto, sino una manifestación real de los estados análogos a los CdGM. La buena concordancia entre los resultados teóricos y los espectros de conductancia medidos en el laboratorio proporciona una fuerte validación del modelo.
Fuente: Physical Review LettersAplicaciones futuras: no es solo física fundamental
Aunque el trabajo pertenece claramente al ámbito de la investigación básica, sus implicaciones pueden ser fundamentales para el desarrollo de futuras tecnologías cuánticas. Uno de los posibles campos de aplicación es el de los simuladores cuánticos híbridos, dispositivos que permiten modelar y estudiar sistemas físicos complejos que serían inabordables con métodos clásicos.
Tal como comenta Saulius Vaitiekėnas, uno de los autores principales, en declaraciones recogidas en artículos de divulgación, estos estados no fueron buscados directamente, sino que aparecieron durante el estudio de otras propiedades del sistema. Una vez identificados, comprendieron que “eran más que una curiosidad”: se abría una puerta a nuevas formas de control cuántico, incluso en entornos donde no existen vórtices reales.
Además, el diseño de materiales como estos plataformas superconductor-semiconductor totalmente controladas está en el corazón de la carrera por construir dispositivos cuánticos más estables y funcionales. El conocimiento detallado de los estados que pueden emerger en estas estructuras ayudará a mejorar el diseño de componentes para computación cuántica, sensores o circuitos topológicos.
Un logro colaborativo con raíces en la innovación
Este avance no es el resultado de un único grupo ni de un descubrimiento aislado. Detrás hay años de trabajo conjunto entre físicos experimentales y teóricos, con equipos en Dinamarca, España y Estados Unidos. Como se recoge en el propio artículo, las simulaciones fueron realizadas con modelos desarrollados en trabajos anteriores y refinados para ajustarse a la geometría y los materiales reales usados en los dispositivos.
También ha sido clave el uso de herramientas de nanofabricación altamente especializadas, como la deposición epitaxial de aluminio en los nanocables de InAs, y el control preciso del potencial electrostático a través de puertas de voltaje. Gracias a estos avances, es posible construir dispositivos que no solo simulan vórtices, sino que permiten medir directamente su comportamiento con espectroscopía de túnel.
Este tipo de investigación, que combina diseño de materiales, ingeniería cuántica y modelado teórico avanzado, muestra cómo la física de frontera se construye con pasos pequeños pero precisos. Cada detalle importa, desde el grosor de una capa de aluminio hasta la orientación del campo magnético.
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Referencias
M. T. Deng, Carlos Payá, Pablo San-Jose, Elsa Prada, C. M. Marcus y S. Vaitiekėnas. Caroli–de Gennes–Matricon Analogs in Full-Shell Hybrid Nanowires. Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.206302.
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