Descubren una nueva fase cuántica: átomos de cesio crean “mares de Fermi fraccionarios” y desafían una teoría vigente desde hace décadas

Un equipo de científicos ha confirmado que es posible crear “mares de Fermi fraccionarios” en gases de átomos ultrafríos, una forma inédita de organización cuántica que da lugar a una nueva fase crítica de la materia más allá de la teoría de Tomonaga-Luttinger, considerada durante décadas el marco de referencia para describir sistemas cuánticos unidimensionales. 

El hallazgo, liderado por investigadores de la Universidad de Innsbruck junto con colaboradores del CNRS y la Université Paris-Dauphine, se basa en manipular átomos de cesio confinados en una sola dimensión y someterlos a ciclos extremos de interacción, alternando entre regímenes fuertemente repulsivos y fuertemente atractivos. El resultado no es un sistema desordenado ni simplemente más caliente, sino un estado altamente excitado que conserva una sorprendente estructura interna. 

Y hay un detalle especialmente llamativo: las firmas matemáticas observadas en este nuevo estado indican la existencia de una fase crítica completamente distinta de las conocidas hasta ahora, algo que podría redefinir la forma en que los físicos entienden la materia cuántica fuera del equilibrio.

Cuando los átomos dejan de obedecer las reglas habituales

En la física cuántica, los fermiones —partículas como los electrones— se distribuyen siguiendo una regla muy estricta conocida como principio de exclusión de Pauli. Esa organización genera lo que los físicos llaman un “mar de Fermi”, una especie de paisaje energético donde cada estado disponible queda ocupado de manera ordenada.

En la física cuántica, los fermiones —partículas como los electrones— se distribuyen siguiendo una regla muy estricta conocida como principio de exclusión de Pauli.

Sin embargo, los investigadores decidieron explorar una pregunta radical: ¿qué sucede si un sistema cuántico es empujado repetidamente fuera del equilibrio mediante cambios controlados de las interacciones entre partículas? Para responderla, utilizaron átomos ultrafríos de cesio atrapados en una geometría unidimensional. 

Mediante ciclos cuidadosamente diseñados, los científicos modificaron repetidamente la intensidad y naturaleza de las interacciones entre los átomos. En lugar de destruir el orden cuántico, el proceso generó una configuración completamente nueva. 

Los denominados “mares de Fermi fraccionarios” presentan una ocupación reducida de los estados cuánticos, como si las partículas siguieran una versión modificada de las reglas tradicionales. Aunque el sistema se encuentra muy lejos de su estado fundamental, mantiene una organización colectiva extraordinariamente estable.  Pero aquí surge el verdadero misterio: estos estados no son simples variantes de comportamientos ya conocidos.

Más allá de la teoría de Tomonaga-Luttinger

Desde mediados del siglo XX, la teoría de Tomonaga-Luttinger ha servido para describir el comportamiento universal de numerosos sistemas cuánticos unidimensionales. Su éxito ha sido tan amplio que muchos fenómenos observados en cadenas de átomos, espines magnéticos o gases cuánticos terminan encajando en este marco conceptual.

Sin embargo, los cálculos realizados por el equipo revelan que los mares de Fermi fraccionarios producen correlaciones incompatibles con esa teoría clásica.

Desde mediados del siglo XX, la teoría de Tomonaga-Luttinger ha servido para describir el comportamiento universal de numerosos sistemas cuánticos unidimensionales.

Entre las señales más evidentes aparecen las llamadas oscilaciones de Friedel, ondulaciones características que emergen en las correlaciones cuánticas. Aunque estas oscilaciones también pueden aparecer en sistemas convencionales, su patrón de decaimiento y su estructura matemática en los nuevos estados no coinciden con las predicciones estándar. 

Los autores interpretan estos resultados como la evidencia de una fase crítica exótica completamente nueva. En física, una fase crítica representa un régimen donde las correlaciones se extienden a grandes distancias y surgen propiedades universales independientes de los detalles microscópicos. La importancia de este punto es enorme. 

Los físicos buscan constantemente nuevas fases críticas porque funcionan como ventanas hacia leyes fundamentales de la naturaleza. Encontrar una que no pueda describirse mediante los modelos tradicionales equivale, en cierto sentido, a descubrir una nueva región en el mapa de la materia cuántica. Pero hay algo aún más intrigante: nadie sabe todavía cómo llamar a las cuasipartículas que emergen de este fenómeno. El investigador Hanns-Christoph Nägerl ha llegado a sugerir informalmente el término “superfermiones”, reflejando hasta qué punto estos estados desafían las categorías habituales. 

Una puerta abierta hacia la próxima generación de simuladores cuánticos

Durante los últimos años, los gases atómicos ultrafríos se han convertido en auténticos laboratorios para explorar fenómenos imposibles de estudiar directamente en materiales convencionales. La estrategia utilizada en este trabajo se apoya en una idea poderosa: en lugar de limitarse a reproducir teorías conocidas, los simuladores cuánticos pueden crear estados que nunca habían sido observados en la naturaleza.

Durante los últimos años, los gases atómicos ultrafríos se han convertido en auténticos laboratorios para explorar fenómenos imposibles de estudiar directamente en materiales convencionales.

Los investigadores demostraron teóricamente que los ciclos de interacción permiten transformar estados iniciales ordinarios en configuraciones de ocupación fraccionaria. Paralelamente, un segundo trabajo experimental —actualmente disponible como prepublicación— informa de la realización física de estos mares de Fermi fraccionarios utilizando precisamente átomos de cesio ultrafríos.

Este avance podría tener implicaciones que van más allá de la física fundamental. Comprender cómo estabilizar estados altamente excitados pero ordenados resulta esencial para futuras tecnologías cuánticas, incluyendo sistemas de procesamiento de información, sensores ultraprecisos y plataformas de simulación capaces de explorar fenómenos aún desconocidos. 

Además, el trabajo aporta una nueva perspectiva sobre uno de los grandes desafíos de la física moderna: entender cómo evoluciona la materia cuando es forzada lejos del equilibrio. La mayoría de los modelos actuales describen sistemas próximos a estados estables; sin embargo, el universo real está lleno de procesos dinámicos donde las condiciones cambian continuamente.

Como una marea invisible que reorganiza el océano cuántico sin destruirlo, los mares de Fermi fraccionarios sugieren que todavía existen formas ocultas de orden esperando ser descubiertas. Y quizá, en esos territorios aún inexplorados, se encuentren algunas de las claves para comprender la próxima revolución de la física cuántica.