Fluctuaciones cuánticas hacen emerger un nuevo tipo de semimetal topológico

Trabajo teórico y experimental descrito en Nature Physics amplía el repertorio de fases exóticas de la materia

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Las llamadas “fases exóticas de la materia” constituyen hoy un importante foco de atención de la investigación científica. Por dos motivos: desde el punto de vista de la ciencia básica, conforman un continente casi inexplorado de la física cuántica; desde el punto de vista de la ciencia aplicada, son matrices de tecnologías emergentes, entre ellas la computación cuántica robusta.

Un estudio reciente realizado por una colaboración internacional de investigadores mostró que un compuesto de fermiones pesados, el CeRu₄Sn₆, alberga un estado electrónico completamente nuevo: un semimetal topológico, estabilizado no a pesar, sino gracias a la criticalidad cuántica (descripciones resumidas de los principales conceptos físicos mencionados en este reportaje están disponibles en un glosario al final del texto). Un artículo al respecto fue publicado en la Nature Physics.

“El trabajo amplía el repertorio de fases exóticas de la materia y sugiere que los puntos críticos cuánticos pueden funcionar como ‘semilleros’ de estados topológicos fuertemente correlacionados”, afirma el físico Julio Larrea Jiménez, profesor del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), en Brasil, cofundador y jefe del Laboratory for Quantum Matter under Extreme Conditions (LQMEC) del instituto y uno de los autores del artículo.

Los materiales topológicos son aquellos cuyas propiedades electrónicas están protegidas por simetrías: pequeñas impurezas, deformaciones o fluctuaciones no logran destruir fácilmente el estado cuántico global. El interés por este tipo de material es fácil de comprender, ya que, si la topología protege el estado cuántico frente a perturbaciones locales, esto puede convertirse en un recurso para almacenar y manipular información cuántica con menor decoherencia: el gran desafío para el desarrollo de la computación cuántica.

Según Larrea, el avance proporcionado por el estudio fue demostrar experimentalmente que simetrías sofisticadas, asociadas a topologías no triviales, como la quiralidad, pueden promover estados cuánticos diferentes de aquellos estudiados hace casi un siglo mediante la ecuación de Schrödinger. Es decir, además de los estados previamente conocidos, existen otros, condicionados por la acción de simetrías inusuales sobre el sistema.

“La forma en que los electrones se organizan en un material, la llamada ‘topología trivial’, generada por simetrías convencionales, suele describirse mediante los estados de Bloch. En materiales metálicos, las interacciones entre los electrones normalmente se tratan utilizando la idea de cuasipartículas. Pero en el compuesto de fermiones pesados CeRu₄Sn₆, en un estado de criticalidad cuántica genuina, estas cuasipartículas simplemente dejan de existir. Aun así, de manera sorprendente, encontramos, en este régimen extremo, el surgimiento de un semimetal topológico”, afirma Larrea.

Para comprender este fenómeno, los autores estudiaron un modelo teórico de semimetal en el punto crítico en el que el efecto Kondo es destruido. Este modelo muestra que, incluso sin cuasipartículas bien definidas, aún pueden surgir cruces topológicos en las bandas electrónicas, creados por las propias fluctuaciones cuánticas del sistema.

“En condiciones normales, el sistema CeRu₄Sn₆ exhibe un entrelazamiento entre electrones de conducción y electrones de la capa 4f del cerio – el llamado efecto Kondo. Pero, cuando se somete a condiciones extremas de presión, campo magnético y temperaturas cercanas al cero absoluto, este entrelazamiento se rompe y el material alcanza un punto crítico cuántico, en el cual las fluctuaciones cuánticas pasan a dominar toda la dinámica. Es en este límite donde surge la nueva fase topológica”, comenta Larrea.

En este escenario, los investigadores observaron que el CeRu₄Sn₆ presenta un efecto Hall espontáneo – es decir, la aparición de un voltaje transversal sin la aplicación de un campo magnético externo. Este tipo de respuesta es típico de los semimetales de Weyl. En el modelo teórico propuesto en el artículo, el equipo consideró un semimetal de Weyl-Kondo en el límite de destrucción de Kondo, cuando las fluctuaciones cuánticas son tan intensas que disuelven el fluido de fermiones pesados. Sin embargo, en lugar de desmantelar completamente la estructura electrónica, estas fluctuaciones generaron nuevos tipos de cruces topológicos.

Larrea subraya que el núcleo del estudio fue combinar interacciones y simetrías. “Nuestro experimento proporcionó la primera demostración empírica de un proceso hasta entonces predominantemente teórico”, sintetiza.

En la región crítica, el marco tradicional, de cuasipartículas bien definidas y del parámetro de orden que define un estado termodinámico, falla. Lo que el nuevo trabajo mostró fue que, precisamente donde las bandas electrónicas se vuelven “mal comportadas” y las excitaciones de baja energía “sustituyen” al parámetro de orden, puede emerger un estado topológico. No a pesar de la criticalidad cuántica, sino como un producto directo de ella.

En los últimos años, la topología se ha convertido en un nuevo lenguaje de la física. Los estados protegidos por simetrías topológicas son robustos frente a perturbaciones y explican fenómenos que antes parecían desconectados. Esta línea de investigación ya fue reconocida con el Premio Nobel de Física en 2016, otorgado a David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz, “por descubrimientos teóricos de transiciones de fase topológicas y fases topológicas de la materia”.

Desde el punto de vista experimental, presiones extremas, temperaturas del orden del milikelvin, campos magnéticos intensos y materiales 2D permiten generar estados cuánticos inéditos. Esto abre territorios antes inaccesibles para la experimentación. Y viene mostrando que existen muchas más posibilidades de organización cuántica de la materia de las que se suponía, lo que convierte a las fases exóticas en un gran desafío conceptual y en un camino altamente prometedor para nuevas tecnologías.

El nuevo estudio se inscribe en esta gran línea de investigación. Fue apoyado por la FAPESP mediante un Auxilio a Jóvenes Investigadores concedido a Larrea.

El artículo Emergent topological semimetal from quantum criticality puede leerse en: nature.com/articles/s41567-025-03135-w.

Glosario

Fermiones pesados – Cuasipartículas electrónicas cuyo movimiento, debido al efecto Kondo, corresponde al de una masa efectiva cientos de veces mayor que la masa del electrón libre.

Semimetal topológico – Material cuya estructura electrónica presenta puntos o líneas de contacto entre las bandas de valencia y de conducción, protegidos por propiedades topológicas y simetrías. En estos materiales, los electrones se comportan como cuasipartículas relativistas, dando lugar a fenómenos inusuales, como alta movilidad electrónica, estados cuánticos de superficie robustos, etc.

Criticalidad cuántica / Punto crítico cuántico – Transición de fase continua que ocurre a temperatura de cero kelvin, impulsada por fluctuaciones cuánticas, en torno a la cual surgen estados electrónicos no convencionales.

Quiralidad – Propiedad de un objeto que no puede superponerse a su imagen en el espejo, como ocurre con la mano derecha y la izquierda.

Ecuación de Schrödinger – Fórmula matemática propuesta por el físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961) en 1926, que describe la evolución de sistemas cuánticos mediante una función de onda que contiene toda la información sobre cómo un electrón, átomo o cualquier sistema microscópico cambia en el tiempo, permitiendo calcular probabilidades de posición, energía y otros observables.

Estados de Bloch – Funciones de onda que describen las partículas (como los electrones) en un entorno con potencial periódico (como un cristal). Son soluciones de la ecuación de Schrödinger en este contexto y fundamentales para comprender las propiedades electrónicas en sólidos, como la formación de estructuras de banda.

Cuasipartículas – Concepto introducido por el físico soviético Lev Davidovich Landau (1908-1968) que describe las excitaciones colectivas que surgen cuando muchos cuerpos interactúan de manera organizada, haciendo que el sistema se comporte como si existieran partículas efectivas. Las cuasipartículas tienen propiedades bien definidas (energía, momento, etc.) y permiten describir sistemas complejos (como líquidos cuánticos y sólidos) con la simplicidad de un gas de partículas efectivas.

Efecto Kondo – Fenómeno descrito por el físico japonés Jun Kondo (1930-2020), en el que la interacción a bajas temperaturas entre electrones de conducción y momentos magnéticos localizados genera una cuasipartícula híbrida, muy masiva (fermiones pesados).

Efecto Hall espontáneo – Generación de un voltaje transversal sin la aplicación de un campo magnético externo.

Semimetal de Weyl – Estado electrónico topológico en el que pares de puntos de Weyl (cruces lineales de bandas) dominan las propiedades de transporte, dando lugar a respuestas anómalas, como el efecto Hall espontáneo. Este estado topológico está protegido por la simetría de quiralidad.

Semimetal Weyl-Kondo – Versión fuertemente correlacionada del semimetal de Weyl, en la que los nodos topológicos emergen de un fluido de fermiones pesados y son nucleados por la criticalidad cuántica.