Científicos predicen la existencia de un nuevo tipo de materia cuántica que se creía imposible

Investigadores de la Universidad de Monash (Australia) han predicho la existencia de un nuevo tipo de materia cuántica que cuestiona algunas de las ideas mantenidas durante décadas sobre el comportamiento de las partículas ultrafrías. El trabajo plantea que dos clases de partículas cuánticas fundamentalmente distintas, los bosones y los fermiones, pueden llegar a combinarse para formar gotas cuánticas estables capaces de mantenerse unidas por sí mismas.

El estudio muestra que este fenómeno puede producirse cuando se dan las condiciones adecuadas. Hasta ahora, se consideraba improbable que estas peculiares gotas pudieran existir en sistemas de Bose-Fermi sometidos a interacciones fuertes. La nueva aproximación teórica modifica ese escenario y ofrece una vía para estudiar estados de la materia que hasta el momento habían resultado difíciles de describir.

El hallazgo proporciona además una nueva hoja de ruta teórica para los experimentos que se desarrollan en distintos lugares del mundo. Sus implicaciones podrían contribuir a ampliar el conocimiento sobre los materiales cuánticos que sirven de base para tecnologías futuras, entre ellas los sensores de ultraprecisión y la computación cuántica.

Sam Foster, autor principal del trabajo y candidato a doctorado de la Universidad de Monash perteneciente a la Facultad de Física y Astronomía, explicó que los resultados abren la posibilidad de investigar estados cuánticos completamente nuevos.

Foster destacó: «Los sistemas cuánticos pueden comportarse de maneras que parecen imposibles en nuestro mundo cotidiano. Hemos demostrado que estos dos tipos de partículas tan diferentes pueden equilibrarse perfectamente entre sí para crear una gota estable que se mantiene unida por sí misma.»

Estas gotas presentan unas características muy distintas de las que pueden observarse en un líquido convencional. Su existencia responde a las particulares leyes de la mecánica cuántica. En el sistema estudiado por los investigadores, la fuerza de atracción que actúa entre las partículas alcanza un equilibrio preciso con la presión generada por los fermiones. Esa compensación es la que evita que el conjunto termine colapsando y permite que la gota permanezca estable y autoligada.

El trabajo también aborda una cuestión teórica planteada desde hace tiempo. Los modelos empleados anteriormente encontraban limitaciones a la hora de describir el comportamiento de estos sistemas cuando aumentaba la intensidad de las interacciones entre las partículas.

Sobre este aspecto, Foster precisó: «Las teorías anteriores solo podían describir estos sistemas cuando las partículas interactuaban de forma relativamente débil. Nuestro nuevo enfoque nos permite explorar qué sucede cuando esas interacciones se vuelven mucho más fuertes, que es donde surge la física más interesante.»

De este modo, la investigación permite adentrarse teóricamente en un régimen de interacciones mucho más intensas. El equipo determinó asimismo que las gotas cuánticas previstas podrían obtenerse mediante los experimentos que ya existen con átomos ultrafríos. Por tanto, comprobar experimentalmente esta predicción aparece como un siguiente paso realista a partir de los resultados alcanzados.

La investigación no se limita a anticipar la formación de estas gotas. Los científicos también encontraron evidencias de un comportamiento cuántico semejante a la transición que se produce entre un líquido y un gas. Este resultado muestra un panorama de fases cuánticas más rico de lo esperado y amplía las posibilidades de estudio de estos sistemas formados por bosones y fermiones.

La relevancia del trabajo, según Foster, tampoco queda restringida al terreno de la física atómica. El investigador hizo hincapié en las posibilidades que ofrece comprender de qué manera se estructura la materia cuando está sometida a condiciones cuánticas extremas.

«Comprender cómo se organiza la materia en condiciones cuánticas extremas nos brinda nuevas herramientas para diseñar y controlar sistemas cuánticos. Si bien se trata de investigación fundamental, descubrimientos como este suelen sentar las bases de las tecnologías cuánticas del futuro.»